Химики охладили новое соединение молибдена с хлором до -261°С и выяснили удивительную закономерность: это вещество начинает вести себя как материал, способный притягиваться к магниту, что нехарактерно для других соединений молибдена. Потенциально такая особенность может позволить использовать полученные кристаллы при создании новых устройств хранения информации и магнитных датчиков. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Inorganic Chemistry.
Современные электронные устройства уже практически невозможно сделать миниатюрнее, энергоэффективнее и быстрее. Особенно остро эта проблема стоит для систем искусственного интеллекта, которые обрабатывают огромные объемы информации. Поэтому ученые ищут альтернативу электронике, и ею могут стать спинтронные устройства на основе двумерных магнитных структур. Для работы с данными они используют не заряды электронов, а магнитные моменты атомов.
Магнитный момент можно сравнить с очень маленькой стрелкой компаса, которая в зависимости от внешнего магнитного поля отклоняется в ту или иную сторону. Именно такие отклонения и лежат в основе записи информации. Однако на сегодняшний день известно мало материалов, которые в двумерном виде сохранят свою намагниченность (направленность «магнитных стрелок» в одну сторону), что ограничивает разработку компактных спинтронных устройств.
Исследователи из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с коллегами синтезировали новую кристаллическую структуру на основе атомов молибдена и хлора, которая проявляет магнитные свойства, необходимые для спинтронных устройств.
В качестве объекта исследования авторы взяли хлорид молибдена, поскольку это вещество может образовывать пары атомов молибдена, соединенных через атомы хлора. В зависимости от того, как такие пары расположены в кристалле, вещество приобретает ферромагнитные свойства (способность притягиваться к магниту) при разных температурах.
Сначала химики вырастили кристаллы в нагретой герметичной трубке, обработав порошок молибдена газообразным хлором. Затем их поместили в неравномерно разогретую печь (с разной температурой в разных частях). Это позволило получить нужную форму кристаллов.
Кроме того, авторы получили образцы кристаллов, в которых часть атомов молибдена заменили на другие металлы — рений или ниобий. С их помощью ученые оценили, как состав вещества влияет на его магнитные свойства.
Исследование показало, что в кристаллах чистого хлорида молибдена отдельные пары атомов металла могут находиться в трех разных «позициях». Это значит, что они занимают неодинаковые места в кристаллической решетке. Из-за этого разные пары взаимодействуют друг с другом с неодинаковой силой, что сказывается на способности кристалла намагничиваться.
Эксперименты показали, что при охлаждении до -261°С такие кристаллы приобретают ферромагнитные свойства благодаря тому, что магнитные моменты их атомов выстраиваются параллельно друг другу в одном направлении (будто все стрелки маленьких компасов указывают строго на север).
Когда часть атомов молибдена в кристалле заменили на рений, вещество показало слабый магнетизм, который возникал из-за того, что магнитные моменты его атомов были направлены в две противоположные стороны (условно на юг и на север), но не компенсировали друг друга полностью. Соединение с ниобием вовсе не проявило магнетизма из-за того, что в нем все магнитные моменты оказались скомпенсированы.
Таким образом, авторы доказали, что магнитные свойства соединения молибдена с хлором можно настраивать, изменяя как взаимное расположение пар атомов в кристалле, так и их химический состав.
«Теперь нам предстоит найти способ повысить температуру, при котором кристаллы хлорида молибдена начинают намагничиваться. Возможность стабилизировать такое состояние при более высоких температурах откроет путь для практического применения этого вещества в новых поколениях спинтронных устройств. В дальнейшем мы планируем заменить молибден на другие металлы, такие как вольфрам и осмий, а хлор на другие галогены, например, бром», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ольга Волкова, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики низких температур и сверхпроводимости физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
В исследовании принимали участие сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Университета штата Северная Каролина (США), Хуачжунского университета науки и технологии (Китай) и Университета Кёнхи (Республика Корея).
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
