Российские исследователи создали тест, который позволил проверить, является ли материал спин-долинным полуметаллом. Такие соединения могут использоваться в электронике будущего и вживляемой биоэлектронике. Статья ученых опубликована в журнале Physical Review B.

Сегодня перед электроникой стоят новые вызовы: человечеству необходимо хранить больше данных и обрабатывать их все быстрее. При этом традиционная электроника уже исчерпывает свои ресурсы и не позволяет достаточно повысить скорость передачи данных и объем памяти. Поэтому исследователи со всего мира стараются создать альтернативные виды электроники. В таких устройствах информация будет обрабатываться быстро, а сами они будут маленькими и безопасными даже для вживления в человеческое тело.

Но чтобы создать новые виды электронных устройств, необходимы принципиально иные материалы. Одним из перспективных классов считаются спин-долинные полуметаллы. Физики ожидают, что эти соединения смогут пропускать поляризованный ток, который несет дополнительную информацию, закодированную в спине и долинном индексе. Это позволит переносить в разы больше данных за единицу времени, чем способны традиционные подходы. Также эти материалы не опасны для человека в отличие от уже известных полуметаллов. Это значит, что спин-долинные полуметаллы можно использовать во вживляемой биоэлектронике.

Этот класс соединений материаловеды из МФТИ, Института теоретической и прикладной электродинамики РАН и японского Института физико-химических исследований предсказали в 2017 году. Ученые предполагают, что синтезировать спин-долинные полуметаллы можно из антиферромагнетиков. Однако условия такого синтеза пока остаются неизвестными. Также было непонятно, как экспериментально показать «спин-долинность» такого полуметалла.

«Мы подумали: а что, если направить на материал поток нейтронов? Теперь мы теоретически рассчитали сечение рассеяния нейтронов на электронах в спин-долинном полуметалле. Картина рассеяния в том числе определяется зонной структурой материала. Зонная структура антиферромагнетика отличается от таковой для спин-долинного полуметалла. Мы можем попробовать отличить эти фазы по картине рассеяния», — объясняет ведущий автор работы, аспирант Физтех-школы физики и исследований им. Ландау МФТИ Дмитрий Хохлов.

Зонная структура материала показывает, как внутри него ведут себя электроны. По ширине зон можно сказать, к какому типу материалов относится исследуемый образец, и отличить его от других веществ. Авторы новой работы рассчитали, используя теорию возмущений, как с помощью бомбардировки нейтронами можно получить данные о зонной структуре спин-долинного материала и какой она вообще должна быть.

Оказалось, что, так как зонная структура спин-долинных полуметаллов и антиферромагнетиков имеет характерные особенности, их можно увидеть в спектрах нейтронного рассеяния. Такие спектры часто снимают после дополнительных воздействий — нагрева, охлаждения, деформации, — чтобы проверить, приводят ли эти воздействия к изменению свойств образца. Авторы работы использовали этот метод анализа, чтобы показать, поменялось ли состояние вещества с антиферромагнитного на спин-долинное.