Новые материалы и технологии открывают перспективы для микроэлектроники и квантовых технПо мере того, как телефоны и компьютеры уменьшаются в размерах, наша потребность в хранении и передаче данных растет. Электронные устройства десятилетиями работали на полупроводниках, но поскольку стремление к миниатюризации продолжается, существует предел тому, насколько маленькими могут быть полупроводники.
Следующее поколение портативных устройств требует нового решения. Спинтроника, или спиновая электроника , является революционно новой областью в физике конденсированных сред, которая может увеличить возможности памяти и логической обработки наноэлектронных устройств, одновременно снижая энергопотребление и производственные затраты. Это достигается за счет использования недорогих материалов и магнитных свойств спина электрона для выполнения функций памяти и логики вместо использования потока электронного заряда, используемого в типичной электронике.
Новая работа ученых из Университета штата Флорида стимулирует исследования спинтроники.
Профессора Биу Ма с кафедры химии и биохимии и Пэн Сюн с кафедры физики работают с низкоразмерными органическими металлогалогенидными гибридами — новым классом гибридных материалов, которые могут питать оптоэлектронные устройства, такие как солнечные элементы, светодиоды или фотодетекторы.
Вместе они определили новые магнитные и электронные свойства в этих материалах, указывая на впечатляющий потенциал в спинтронике. Сюн в своей сольной работе спроектировал первый случай генерации спина электрона без магнита в полупроводнике, способствуя разработке недорогих мощных электронных устройств.
«Хотя этот новый класс материалов доказал свою полезность при создании оптических материалов для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды, это первый случай, когда мы наблюдаем некоторые уникальные магнитные свойства», — сказал Ма, эксперт в области химии материалов.
«В зависимости от выбора соответствующих органических и металлогалогенидных компонентов, который теоретически может быть неограниченным, мы можем собирать их в кристаллические структуры с различной размерностью. Различные составы и структуры заставляют их проявлять разнообразные свойства, которые могут иметь множество применений, начиная от оптоэлектроники и заканчивая спинтроникой и даже комбинацией того и другого».
Лаборатория Ма синтезирует материалы в различных конфигурациях, прежде чем отправить их в лабораторию Сюна для электронных и магнитных характеристик — аспиранты в обеих лабораториях руководят экспериментами. Затем лаборатория Сюна дает обратную связь о свойствах синтезированных материалов.
В исследовании под названием «Антиферромагнитное упорядочение в одномерном органическом гибридном изоляторе на основе хлорида меди», опубликованном в журнале Angewandte Chemie , Ма и Сюн раскрывают недавно обнаруженные свойства, подчеркивая потенциал этих материалов как высоконастраиваемой квантовой платформы для спинтроники.
«Захватывающе думать о том, что это всего лишь одна публикация, посвященная одному конкретному материалу», — сказал Ма. «Мы синтезируем сотни материалов и ожидаем увидеть в будущем еще больше интересных свойств и полезных приложений».
В исследовании также приняли участие научные группы под руководством доцента кафедры химии и биохимии FSU Бина Оуяна и доцента кафедры физики Университета штата Северная Каролина Дали Сан.
«Сотрудничество между Биву и мной очень естественно», — сказал Сюн о продолжающемся четырехлетнем партнерстве. «Существует много обратной связи между синтезом материалов и характеристикой свойств в двух лабораториях, что нам нужно доработать в синтезе, чтобы достичь оптимальных свойств и многое другое. Это очень интерактивно, и у нас одновременно происходит много разных проектов с разными материалами».
В то время как совместные исследования дуэта сосредоточены на разработке новых функциональных материалов для использования в спинтронике, индивидуальные исследования Сюна представляют совершенно новый способ питания спинтроники путем использования взаимодействия спина электрона с хиральностью его окружения для создания безмагнитного электронного спина в полупроводнике.
В настоящее время генерация спина обычно создается посредством взаимодействия с магнитом, и такие схемы имеют существенные недостатки. Например, граничные поля от внешних магнитов могут легко нарушить выравнивание спина, что приведет к осложнениям, если в небольшом электронном устройстве, таком как высокоплотный компьютерный чип, используются несколько полупроводников.
В исследовании под названием «Генерация спинов без магнитов, вызванная хиральностью, в полупроводнике», опубликованном этим летом в журнале Advanced Materials , Сюн демонстрирует немагнитный путь генерации спинов.
«Вместо того, чтобы подавать напряжение на магнит, чтобы электрон входил и выходил из полупроводника, мы переворачиваем спин электрона в пути», — сказал Сюн. «Мы обнаружили, что когда вы заставляете электрон проходить через хиральную структуру, которая является типом молекулы, имеющей невоспроизводимое зеркальное отражение, она становится спин-поляризованной и переворачивает электрон, чтобы «спин» совпадал с другими электронами.
«Этот процесс не только потребляет меньше энергии, чем обычная генерация спина, и теряет меньше энергии в процессе, но и позволяет гораздо проще достичь интеграции высокой плотности. Наш следующий шаг — добиться генерации спина без магнитов с использованием хиральных полупроводников, изготовленных в лаборатории Биву, вместо очень хрупких хиральных молекул».
Эта работа также была представлена в качестве приглашенного доклада на мартовской встрече Американского физического общества 2024 года . В число дополнительных участников этого исследования входят ученые из Китайской академии наук, Института науки Вейцмана и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
