Изучение троилита может привести к появлению спинтронных вычислений

Ученые-материаловеды из Университета Дьюка показали первый четкий пример того, что переход материала в магнит может контролировать нестабильность его кристаллической структуры, которая заставляет его переходить от проводника к изолятору.

Если исследователи смогут научиться контролировать эту уникальную связь между физическими свойствами, выявленными в гексагональном сульфиде железа, это может привести к появлению новых технологий, таких как спинтронные вычисления. Результаты опубликованы 13 апреля 2020 года в журнале Nature Physics.

Широко известный как троилит, гексагональный сульфид железа встречается в природе на Земле, но его больше в метеоритах, особенно тех, которые происходят с Луны и Марса. Считается, что большая часть троилитов на Земле, редко встречающаяся в земной коре, происходит из космоса.

Несмотря на свою относительную редкость, троилит изучался с 1862 года без особого интереса. В недавней теоретической статье, однако, было высказано предположение, что может существовать новая физика между температурами от 289 до 602 градусов по Фаренгейту – температурному диапазону, при котором троилит становится одновременно магнитным и изолятором.

“В статье заключалось, что смещение атомов в их кристаллической структуре влияет на свойства минерала через довольно сложный эффект, которого раньше не было”, – сказал Оливье Делэр, доцент кафедры машиностроения и материаловедения, физики и химии в герцог. – “Самым важным аспектом является это взаимодействие между магнитными свойствами и атомной динамикой, которое является предметом, который не был исследован раньше, но открывает новые возможности в вычислительных технологиях”.

Чтобы понять причину странного поведения материала, Делэр и его коллеги обратились к Хайдонгу Чжоу, доценту экспериментальной физики конденсированных сред в Университете Теннесси, для трудной задачи выращивания совершенных кристаллов троилита. Затем исследователи взяли образцы в Национальную лабораторию Ок-Риджа и Национальную лабораторию Аргонн, чтобы взорвать их нейтронами и рентгеновским излучением соответственно.

Когда частицы, такие как нейтроны или рентгеновские лучи, отражаются от атомов внутри материала, исследователи могут использовать эту рассеивающую информацию для восстановления его атомной структуры и динамики. Поскольку нейтроны имеют свой собственный внутренний магнитный момент, они также могут выявить направление магнитного вращения каждого атома. Но поскольку нейтроны слабо взаимодействуют с атомами, рентгеновские лучи также очень удобны для разрешения атомной структуры материала и колебаний атомов в крошечных кристаллах. Исследователи сравнили результаты двух разных сканирований с использованием квантовомеханических моделей, созданных на суперкомпьютере в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, чтобы убедиться, что они поняли, что происходит.

Наблюдая за изменениями, происходящими в результате фазовых превращений троилита, исследователи обнаружили ранее невиданные механизмы в работе. При высоких температурах магнитные спины атомов троилита уходят в случайных направлениях, что делает материал немагнитным. Но как только температура падает ниже 602 градусов по Фаренгейту, магнитные моменты естественным образом выравниваются и рождается магнит.

Выравнивание этих магнитных спинов смещает динамику колебаний атомов. Этот сдвиг вызывает незначительную деформацию всей кристаллической атомной структуры, что, в свою очередь, создает запрещенную зону, через которую электроны не могут перепрыгнуть. Это приводит к тому, что троилит теряет способность проводить электричество.

“Это первый четкий пример того, что выравнивание магнитных спинов может контролировать нестабильность кристаллической структуры материала”, – сказал Делэр. – “И поскольку эти нестабильности приводят к связи между магнитными свойствами и проводимостью кристалла, этот тип материала является захватывающим с точки зрения создания новых типов устройств”.

По словам Делера, способность настраивать магнитное состояние материала с помощью электрических токов и наоборот будет иметь важное значение для реализации таких технологий, как спиновая электроника. Кратко известная как спинтроника, эта новая область стремится использовать собственный спин электрона и связанный с ним магнитный момент для хранения и манипулирования данными. В сочетании с традиционной ролью электронов в вычислительной технике это позволит компьютерным процессорам стать более плотными и более эффективными.

В этой статье Делэр и его коллеги определили магнитные элементы управления механизмами искажения кристаллической структуры, предоставляя исследователям возможность манипулировать друг другом. Хотя это манипулирование в настоящее время основано на изменениях температуры, следующим шагом для исследователей является рассмотрение применения внешних магнитных полей, чтобы увидеть, как они могут влиять на атомную динамику материала.

Делэр говорит, что независимо от того, станет ли троилит новым кремнием для следующего поколения вычислительных технологий, нахождение этого уникального механизма в таком известном материале – хороший урок для всей области.

“Удивительно, что, несмотря на то, что у вас есть относительно простое соединение, у вас может быть этот причудливый механизм, который может привести к появлению новых технологий”, – сказал Делэр. – “В некотором смысле, это призыв к пробуждению, что нам нужно пересмотреть некоторые из более простых материалов, чтобы искать похожие эффекты в других местах”.