Un team di fisici al MIPT ha offerto un nuovo design di un diodo spin, posizionando il dispositivo tra due tipi di materiali antiferromagnetici. Regolando l'orientamento dei loro assi antiferromagnetici, è possibile modificare la resistenza e la frequenza di risonanza del diodo. Inoltre, questo approccio triplica la gamma di frequenze su cui il dispositivo può raddrizzare la corrente alternata. Allo stesso tempo, la sensibilità del diodo di spin è paragonabile a quella dei suoi analoghi a semiconduttore. Il documento è stato pubblicato in Revisione fisica B .

"I diodi di spin convenzionali con strati ferromagnetici liberi funzionano solo su frequenze predeterminate che non superano da due a quattro gigahertz, " spiega il ricercatore senior Konstantin Zvezdin del Laboratorio di fisica dell'eterostruttura magnetica e spintronica per tecnologie dell'informazione efficienti dal punto di vista energetico al MIPT.

"In questo documento, proponiamo un diodo con strati ferromagnetici appuntati da strati antiferromagnetici. Ciò consente al dispositivo di funzionare a quasi 10 gigahertz, senza sacrificare in modo significativo la sua sensibilità. Di conseguenza, espandiamo la gamma di possibili applicazioni dei diodi spin per includere cose come la visione artificiale per tutte le stagioni basata sull'olografia a microonde, tra gli altri, " afferma il ricercatore che guida anche un progetto incentrato sulla spintronica presso il Russian Quantum Center.

Dispositivi elettronici come diodi, transistor, amplificatori operazionali, ecc. manipolare le correnti elettriche. In altre parole, il loro funzionamento si basa sul flusso di particelle cariche:elettroni e lacune. In un diodo a semiconduttore, Per esempio, c'è una regione chiamata giunzione p-n dove un materiale con una grande concentrazione di elettroni incontra il materiale con una grande concentrazione di lacune. Di conseguenza, la corrente elettrica può passare attraverso la giunzione solo in una direzione. A causa di ciò, i diodi possono essere usati per costruire un raddrizzatore, cioè un dispositivo che trasforma la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC).

Oltre alla carica, gli elettroni hanno un'altra importante proprietà, rotazione, che è un analogo della meccanica quantistica del momento angolare di un corpo rotante nella fisica classica. ordinariamente, gli spin degli elettroni in una corrente elettrica sono orientati casualmente. Però, è possibile allinearli, con conseguente fenomeno peculiare denominato corrente di spin. La spintronica è lo studio delle correnti di spin. Da adesso, scienziati hanno scoperto come produrre nanogeneratori spintronici, rilevatori di radiazioni a microonde, e sensori di campo magnetico che superano i loro analoghi elettronici.

Come un diodo a semiconduttore, il diodo spin funziona come raddrizzatore. Viene realizzato inserendo uno strato di materiale dielettrico tra due sottili ferromagneti. L'operazione si basa su effetti chiamati magnetoresistenza tunnel e coppia di trasferimento di spin. Quando una corrente scorre attraverso il primo strato ferromagnetico, gli spin degli elettroni si allineano con la sua magnetizzazione, con conseguente corrente di spin. Gli elettroni quindi attraversano il materiale dielettrico e corrono nel secondo strato ferromagnetico. A seconda dell'angolo tra la magnetizzazione di questo strato e gli spin degli elettroni, potrebbe essere più facile o più difficile per loro passare. Perciò, la resistenza del dispositivo è funzione dell'orientamento reciproco degli strati magnetici (primo effetto). Allo stesso tempo, gli elettroni cercano di ruotare il secondo strato per facilitarne il passaggio (secondo effetto). Perciò, quando una corrente alternata scorre attraverso il diodo, la magnetizzazione dei suoi strati, e con essa, la resistenza - oscilla con la corrente, rettificandolo.

Ciò consente di produrre diodi di spin con una sensibilità di oltre 100, 000 volt per watt, mentre i diodi Schottky convenzionali raggiungono il massimo a 3, 800. La sensibilità è definita come il rapporto tra la tensione CC in uscita e la potenza CA applicata. È indicativo di quanto bene il dispositivo può raddrizzare una corrente elettrica. Uno dei difetti dei diodi spin è che la loro sensibilità è fortemente dipendente dalla frequenza AC, picchiettando vicino a una certa risonanza e svanendo rapidamente quasi a zero altrove. Va inoltre notato che le frequenze di risonanza di tutti i diodi di spin prodotti in precedenza non superano i 2 gigahertz. Però, alcune applicazioni, tra questi l'olografia a microonde, richiedono diodi operanti a frequenze più alte.

Nella loro carta, i fisici basati su MIPT descrivono un modo per preimpostare la frequenza di risonanza del diodo durante la produzione e contemporaneamente aumentarne la frequenza operativa. Per realizzare questo, incollano la struttura ferromagnetica a "sandwich" tra due strati antiferromagnetici (vedi fig. 1b). Di conseguenza, i ferromagneti vengono appuntati agli antiferromagneti in quello che è noto come pinning di scambio, consentendo l'angolo tra le magnetizzazioni dei ferromagneti (fig. 1a, in basso) da controllare. Ciò consente ai ricercatori di sintonizzare la resistenza e la frequenza di risonanza del dispositivo. Per verificare se il progetto proposto è fattibile, gli scienziati hanno modellato numericamente un diodo di spin con strati spessi diversi nanometri e ne hanno studiato le proprietà.

Nei materiali ferromagnetici e antiferromagnetici, gli spin degli atomi mostrano un ordine a lungo raggio, cioè la struttura si ripete. In un ferromagnete, gli spin di tutti gli atomi sono allineati in parallelo con un certo asse, mentre negli antiferromagneti si orientano perpendicolarmente all'asse. Per rendere questa immagine più realistica, dovresti anche tenere conto dell'effetto delle fluttuazioni termiche sugli orientamenti di spin. Una volta raggiunta una certa temperatura, gli orientamenti di spin sono completamente randomizzati dalle fluttuazioni termiche, rovinando l'ordine a lungo raggio e trasformando il materiale in un paramagnete. Per i materiali ferromagnetici, questa temperatura critica è chiamata punto di Curie. Per i materiali antiferromagnetici, è nota come temperatura di Néel. Un'altra caratteristica dei materiali del mondo reale è che gli spin in essi mostrano allineamento solo su regioni macroscopiche note come domini, non in tutto il materiale.

Cosa ha mostrato il modello

Innanzitutto il team ha studiato come l'angolo θ tra le magnetizzazioni dello strato ferromagnetico dipende dall'angolo φ tra gli assi degli antiferromagneti (fig. 1a, superiore). Quest'ultimo, noto anche come angolo di pinning antiferromagnetico, può essere controllato durante la fabbricazione del diodo. Come si vede in figura 2, questi angoli sono correlati ma non uguali. Si è scoperto che l'angolo tra le magnetizzazioni può essere variato solo tra 110 e 170 gradi. Inoltre, la dipendenza è non lineare per l'intervallo da 110 a 140 gradi. Tuttavia, questo margine di manovra è sufficiente per controllare le proprietà del diodo.

I ricercatori hanno continuato a esaminare la dipendenza della sensibilità del diodo dalla frequenza CA, fissando l'angolo tra le magnetizzazioni degli strati. Hanno scoperto che vicino alla frequenza di risonanza, la sensibilità del dispositivo aumenta bruscamente (fig. 3), raggiungendo circa 1, 000 volt per watt. Questo valore è inferiore alla sensibilità massima dei diodi spin prodotti in precedenza, tuttavia è paragonabile alla stessa cifra di merito dei diodi a semiconduttore convenzionali.

È importante sottolineare che la frequenza di risonanza del nuovo diodo può essere sintonizzata nell'intervallo da 8,5 a 9,5 gigahertz controllando l'angolo φ al momento della produzione del dispositivo. Detto ciò, i ricercatori hanno studiato solo teoricamente il loro progetto proposto. Il prossimo passo sarebbe creare un campione sperimentale e usarlo per testare le loro previsioni.

In uno studio precedente, I fisici del MIPT hanno eccitato vortici magnetici in dispositivi spintronici basati su un materiale ferromagnetico e un isolante topologico. Quest'ultimo è un materiale peculiare che funge da conduttore sulla superficie ma è per il resto un isolante.