Спинтроника и магноника в одном флаконике

Одна из самых интересных задач, которые решает современная электроника — это создание очень быстрых устройств без высоких потерь энергии в виде тепла. Считается, что в перспективе нас ждут аккумуляторы без химических реакций, которые переводят электричество в энергию постоянного магнита и обратно, магниторезистивная память с нулевым энергопотреблением и почти «вечным» ресурсом, более совершенные, чем сейчас, магнитные головки записи в жестких дисках, а также оптические устройства нанометровых масштабов. Ключом к инновациям подобного типа является управление спинами частиц в функциональных материалах. Переключая спины (точнее, их направления), можно менять магнитное или электрическое состояние вещества. А главное — осуществляется переключение спинов очень просто, быстро и без потерь энергии¹. Из идеи со спинами родились два прорывных направления в электронике — спинтроника (в ней используется замена «физического» тока электронов на «ток» их спинов) и магноника (изучает спиновые волны²). На принципах спинтроники или магноники будут основаны все вышеперечисленные устройства.

Функциональные материалы для этих областей в последние годы вызывают высокий интерес — примерно каждые пять лет количество им посвященных публикаций удваивается. Стоит отметить, что у истоков направления еще в 1950-1960-х годах стояли советские ученые. Так Л.Д. Ландау и Е.М. Лившиц сформулировали необходимые условия магнитоэлектрического эффекта — т.е. эффекта, при котором электрического поле вызывает в материале намагниченность, а магнитное поле — электрическую поляризацию. В 1959 году ученик Ландау И.Е. Дзялошинский указал на оксид хрома (Cr₂O₃) как на потенциальный магнитоэлектрик, а через год соответствующий эффект в этом веществе (он проявляется ниже 34°С) был обнаружен Д.Н. Астровым.

Ренессанс интереса к материалам с магнитоэлектрическим эффектом при более высоких температурах (это важно для практических приложений) произошел в 1990-2000-х годах. Необычным свойствам пленок одного из таких веществ – феррита висмута (BiFeO₃) посвящена недавно вышедшая в Nature Materials статья (Nature Materials, 12, 641–646), где соавторами были российские специалисты из МГУ и ИОФ РАН.

Ученым удалось показать, что под действием механических напряжений магнитные и электрические свойства BiFeO₃ меняются таким образом, что он становится очень перспективным кандидатом для устройств спинтроники и магноники. Никогда еще электричество, магнетизм и обычная механика не переплетались так близко друг с другом.

Феррит висмута обладает интересной особенностью — под влиянием внутренних электрических полей в нем образуются так называемые спиновые циклоиды — структуры, спины в которых образуют макроскопические спирали. «Представьте, что вместо того, чтобы физически изгибать кристалл, мы «изогнули» направления магнитных моментов атомов (спинов) в нем таким образом, что они образовали спираль, — поясняет доцент физического факультета МГУ Александр Пятаков, принимавший участие в исследовании. — «Такая спираль подобна взведенной пружине, но это не механическая пружина, а магнитная».

Магнитные «пружины» обладают новыми свойствами, не присущими однородно намагниченному веществу. Помимо реакции на магнитное поле, они приобретают чувствительность к электрическому полю и механическим напряжениям.

«Практическая польза от этого — перестраивая форму "пружин" с помощью напряжений, возникающих в пленках феррита висмута, можно изменять магнетосопротивление спиновых клапанов (сэндвичеобразные структуры, используемые в жестких дисках и спинтронике. — Ред.), а также влиять на условия распространения спиновых волн и микроволновые свойства материала (это уже из области магноники. — Ред.)», — говорит Пятаков.

Основной эксперимент был проведен французскими учеными, которые обратились к своим российским коллегам за помощью в теоретическом объяснении подобных перестроек: они почему-то происходили только в тонких пленках, но не в крупном монокристалле. Теория же четко указала на причину — «пружины» в тонких пленках и монокристалле различны по своей структуре, — и обосновала такие различия. «С Анатолием Константиновичем Звездиным из ИОФ РАН мы это направление развивали давно и были готовы к тем результатам, которые прислали французы, — рассказывает Пятаков. — Мы посмотрели на них и сказали: а, так это то, что нужно!».

На физическом факультете МГУ материалы на основе феррита висмута исследуют не только в теории, но и в эксперименте — ранее в проблемной лаборатории магнетизма их изучали с помощью сильных магнитных полей. «Опубликованная в «Письмах в ЖЭТФ» на эту тему статья — одна из наиболее цитируемых в истории журнала», — отмечает Александр Пятаков.

¹ Приложением магнитного и электрического полей, механического напряжения 
² Спиновые волны — это распространяющиеся во времени возмущения магнитных свойств материала, а по сути — направлений спинов. Особенность спиновых волн — их длина на порядки меньше, чем световых волн при той же частоте.