Учеными из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре предложен способ создания конденсатора, в котором при подаче электрического напряжения на обкладки накапливался бы не только электрический заряд электронов, но и их спин [1]. Секрет состоит в том, что поверхность раздела магнитного металла и диэлектрика должна представлять собой эффективную магнитоэлектрическую среду.

Магнитоэлектрическими называют среды, в которых наблюдается намагниченность, индуцированная электрическим полем, а также обратный эффект – электрическая поляризация, индуцированная магнитным полем. Всплеск интереса к этому виду материалов, своего рода «магнитоэлектрический ренессанс», вызван, с одной стороны, развитием физики конденсированного состояния вещества и наук о материалах, позволяющих создавать среды с гигантскими магнитоэлектрическими эффектами [2], с другой стороны, все возрастающими запросами индустрии магнитной памяти, требующими замены индуктивных записывающих головок на емкостные элементы. Недостатками индуктивных элементов являются омические потери, перегрев, а при дальнейшем уменьшении размеров еще и электромиграция (перенос ионов металла при протекании электрического тока). Емкостные элементы лишены всех перечисленных недостатков и, кроме того, обладают еще одним несомненным преимуществом – лучшей совместимостью с планарной технологией.

На настоящий момент известно три основных типа магнитоэлектрических материалов:

• естественные однофазные магнитоэлектрические материалы и мультиферроики (среды с электрическим и магнитным упорядочением), в которых магнитная и электрическая подсистемы одного и того же вещества связаны магнитоэлектрическим взаимодействием;
• композитные материалы, состоящие из пьезоэлектрической и магнитострикционной компонент: фазы, отвечающие за электрические и магнитные свойства, пространственно разделены, посредником же между ними служат механические напряжения [3, 4];
• структуры, устроенные по принципу полевого транзистора, в которых путем изменения с помощью электрического поля свойств разбавленного магнитного полупроводника изменяется сила ферромагнитного взаимодействия [5].

Авторы [1] предлагают еще один механизм, обусловленный носителями заряда на поверхности раздела диэлектрик/магнитный металл. С симметрийной точки зрения магнитоэлектрический эффект становится возможным, поскольку в такой конфигурации одновременно нарушается симметрия относительно инверсии пространства и времени: в приповерхностных слоях на границе раздела двух сред отсутствует центр симметрии, а магнитное упорядочение в одной из них нарушает симметрию относительно обращения отсчета времени. Предлагаемое решение внешне сходно с композитными материалами, но отличается тем, что магнитная и электрическая подсистемы не разделены пространственно, а сосуществуют, хотя и в чрезвычайно тонком слое: электрическая поляризация распространяется в толщу магнитного материала на расстояние нескольких атомных слоев, делая его магнитоэлектрическим.

Численные расчеты авторов [1] показывают, что электрическое поле вызывает пропорциональное изменение намагниченности, знак которого зависит от электрической полярности и противоположен на двух обкладках конденсатора. Чтобы количественно характеризовать магнитоэлектрические свойства системы, авторы вводят безразмерный параметр, равный отношению заряда спин-поляризованных электронов ко всему заряду электронов накопленному на обкладках. Для пары материалов SrRuO₃/SrTiO₃ эта величина составляет η~0.4, а «спиновая емкость», т.е. отношение плотности спин-поляризованного заряда к напряжению порядка C_s~100 фмФ/мкм² (соответственно, обычная емкость составляет C0 =С/η~250 фмФ/мкм²).

Спиновый конденсатор: диэлектрический материал (обозначен голубым цветом) зажат между обкладками из ферромагнитного материала (обозначены желтым). Красным показана плотность спин-поляризованных электронов, достигающая максимумов величины на поверхностях раздела и противоположная по знаку на противоположных обкладках конденсатора

Несмотря на то, что данный эффект является пока результатом численного моделирования, уже мало кто сомневается в его существовании, поскольку ab initio методы расчетов достигли такого уровня развития, что начинают не просто объяснять экспериментальные результаты, но и предсказывать новые эффекты. Кроме того, в пользу существования описанного явления говорит недавно обнаруженный в электрохимических элементах с ферромагнитными электродами эффект перестраиваемого электрическим полем магнетизма [6].

В заключение стоит отметить, что данное явление служит иллюстрацией общей идеи о том, что поверхность материала обладает особыми свойствами. Как говорил нобелевский лауреат 2000 г. Герберт Кремер в своей лекции, суммирующей работы по полупроводниковым гетероструктурам: «Поверхность раздела двух сред сама по себе является устройством» (“the interface is the device”). Другим ярким примером проявления того же принципа может служить поверхность раздела двух непроводящих сред – перовскитов SrTiO₃ и LaAlO₃, которая обладает металлическими [7] и даже сверхпроводящими [8] свойствами, результат тем более поразительный, что ни SrTiO₃, ни LaAlO₃ в объеме ни при каких температурах таких свойств не проявляют.

Автор – А. Пятаков

• 1. J.M. Rondinelli., et al, Nature nanotech.3,46 (2008)
• 2. M. Fiebig, J. Phys. D: Appl. Phys. 38, R123 (2005)
• 3. G. Srinivasan, Y.K. Fetisov, Integrated Ferroelectrics, 83, 89 (2006)
• 4. J. Zhai, J. Li, D. Viehland, M. Bichurin, J. Appl. Phys. 101, 014102 (2007)
• 5. H.Ohno, et al., Nature 408, 944 (2000)
• 6. M.Weisheit et al., Science 315, 349 (2007)
• 7. A.Ohtomo, H.Y.Hwang , Nature 427, 423 (2007)
• 8. N. Reyren et al., Science 317, 1196 (2007)