Аннотация:
Диоксид рутения, когда-то считавшийся научным сообществом немагнитным веществом, демонстрирует ранее скрытое новое магнитное состояние, когда его утончают до толщины в несколько атомных слоев и подвергают напряжению. Исследовательская группа, возглавляемая Мингом И, физиком из Университета Райса в США, и состоящая из Университета Миннесоты и Института Пола Шерра в Швейцарии, недавно опубликовала исследование в международном академическом журнале Science Advances, впервые подтвердив, что ультратонкие пленки диоксида рутения демонстрируют новое поведение «переменного магнетизма», открывая новые способы разработки компьютерных запоминающих устройств следующего поколения, которые меньше по размеру и более энергоэффективны.
Переменный магнетизм — это новый тип магнита, предложенный в сообществе теоретической физики в последние годы, который сочетает в себе ключевые преимущества ферромагнетиков и антиферромагнетиков. Диоксид рутения (RuO2), как один из первых квантовых материалов, теоретически предсказанных, что он обладает переменными магнитными свойствами, уже давно вызывает споры в академических кругах. Многочисленные предыдущие эксперименты показали, что объемные материалы диоксида рутения не проявляют какого-либо обнаруживаемого макроскопического магнетизма, и научное сообщество однажды пришло к выводу, что его объемные материалы не являются магнитными. Однако многонациональная исследовательская группа обнаружила, что сжатие размеров материала может быть ключевым переключателем в активации его магнитного потенциала.
Чтобы изучить микроскопическое магнитное поведение на атомном уровне, исследователи подготовили ультратонкую пленку диоксида рутения толщиной всего в несколько атомных слоев и использовали фотоэлектронную спектроскопию с угловым разрешением и спиновым разрешением (Spin-ARPES), чтобы точно измерить ее электронную спиновую текстуру. Результаты эксперимента хорошо согласуются с моделью теоретического расчета, ясно показывая, что испытанный диоксид рутения демонстрирует расположение спинов электронов, соответствующее нетрадиционным магнитным характеристикам, что указывает на то, что при определенных внешних условиях ультратонкий и объемный диоксид рутения имеют совершенно разные магнитные свойства.
Экспериментальный анализ показал, что деформация решетки (Lattice Strain) сыграла решающую роль в возникновении этого странного магнетизма. Когда ультратонкая пленка выращивается на определенной подложке, такой как диоксид титана, напряжение на решетке изменяет ее микроскопическую электронную структуру, вызывая структуру вращения, которая хорошо согласуется с переменным магнетизмом; это магнитное явление больше не существует, когда деформация снята или находится в исходном объемном состоянии. Ичен Чжан, первый автор исследования, сказал, что характеристики, зависящие от деформации, означают, что напряжение решетки, как ожидается, будет служить регулятором для направленной индукции и управления переменными магнитными состояниями, что имеет важное прикладное значение для проектирования устройств спинтроники следующего поколения и новых архитектур оперативной памяти (ОЗУ).
Это исследование не только расширяет когнитивные границы фундаментальной физики квантовых материалов, но и обеспечивает реальную экспериментальную парадигму для использования эпитаксиальной инженерии напряжений для управления низкоразмерными квантовыми состояниями. Точно контролируя механическое напряжение на наноуровне, исследователи смогут более гибко контролировать степени свободы спина электронов в будущем, способствуя дальнейшим прорывам в технологии хранения информации с низким энергопотреблением и сверхвысокой плотностью.
Комментарии