Физики из Университета Майнца продемонстрировали, что соединение Гейслера Co2MnSi обладает необходимыми электронными свойствами. Проект был реализован в сотрудничестве с физиками-теоретиками и химиками из Университета Людвига-Максимилиана (LMU) в Мюнхене и Института химической физики твердого тела им. Макса Планка (MPI-CPfS) в Дрездене. Результаты недавно были опубликованы в онлайн-научном журнале Nature Communications.
Полученные результаты являются краеугольным камнем для будущего развития высокопроизводительных устройств спинтроники с использованием материалов Heusler. Потенциальные области применения включают считывающие головки для жестких дисков и элементы энергонезависимой памяти.
Электроны действуют как носители заряда в металлах и полупроводниках.
Однако у них есть не только заряд, который имеет значение в обычной электронике, но и магнитный момент, спин, который можно рассматривать как результат вращения электрона вокруг собственной оси. Спиновая электроника, или спинтроника, широко рассматривается как неотъемлемая часть информационных технологий будущего, но для надлежащей реализации этой концепции требуются инновационные материалы.
Возможные области применения, например, считывающие головки жестких дисков и энергонезависимая магнитная память.
Решающим параметром в этой связи является спиновая поляризация, i.е., степень параллельной ориентации спинов электронов, переносящих заряд. Идеальный материал будет иметь максимально возможную спиновую поляризацию, i.е., спины максимального количества электронов с током указывают в одном направлении.
Физикам из Майнца удалось получить первое экспериментальное доказательство почти полной спиновой поляризации при комнатной температуре в металлическом сплаве Гейслера Co2MnSi. «Этот класс материалов давно исследуется, и есть существенные теоретические доказательства требуемых электронных свойств соединений Гейслера, но ни один эксперимент ранее не мог подтвердить 100-процентную спиновую поляризацию при комнатной температуре», — пояснил П.Д.
Мартин Журдан из JGU, основной автор исследования. Обнадеживающие результаты уже были получены при очень низких температурах -269 градусов Цельсия. Решающим для потенциальных применений соединения Co2MnSi, состоящего из кобальта, марганца и кремния, является дополнительный аспект экспериментальных результатов, сделанных учеными: они наблюдали высокую спиновую поляризацию на поверхности материала.
Профессор Клаудиа Фелзер, которая 15 лет назад основала область исследований полуметаллических материалов Heusler, считает результаты исследования долгожданным прорывом. «Наконец-то были обнаружены прямые экспериментальные доказательства 100-процентной спиновой поляризации», — сказал Фелзер, директор Института химической физики твердого тела им. Макса Планка в Дрездене. «Это большой шаг вперед в разработке новых устройств спинтроники."
Успешные эксперименты основывались на приготовлении образцов с высочайшей точностью. Для этого необходимо было идеально упорядочить кристаллическую структуру соединения Гейслера, в частности на поверхности материала, что было реализовано в Майнце с помощью подготовки тонких пленок в сверхвысоком вакууме.
Затем спиновая поляризация была измерена с помощью фотоэлектронной спектроскопии и может быть объяснена в сотрудничестве с теоретиками из LMU и MPI-CPfS как результат особого сочетания объемных и поверхностных свойств соединения.
«Это не только прорыв в поисках новых материалов спинтроники, но и во взаимодействии теории и эксперимента», — отметил Журдан. «Мы смогли показать, что идеально подготовленные материалы на самом деле обладают свойствами, которые были теоретически предсказаны."Материалы Heusler исследуются во всем мире, особенно в Японии, Германии и США. В JGU они являются предметом основного исследовательского подразделения, которое является частью Высшей школы передового опыта «Материаловедение в Майнце» (MAINZ) и Центра инновационных и перспективных материалов (CINEMA).
Физико-химики ЛМУ П.Д. Ян Минар, профессор Юрген Браун и профессор Хуберт Эберт предоставили теоретическую основу для этого исследования. «Спектроскопические расчеты проводились с использованием так называемой одношаговой модели», — пояснил Минар, член команды Эберта, разработавшей теоретическую программу. «Такое сочетание электронной структуры и теоретических фотоэмиссионных расчетов сделало возможным прямое сравнение с соответствующими экспериментальными данными, что, в свою очередь, было важно для интерпретации 100-процентной спиновой поляризации, которая была измерена."