Ett team av forskare vid Russian Academy of Sciences (RAS), i samarbete med en kollega från RIKEN (Institute for Physical and Chemical Research in Japan), har gett teoretiskt bevis på att det finns en ny materialklass, spindalen halvmetaller. Deras tidning publicerades i tidningen Fysiska granskningsbrev . Upptäckten har potentiella tillämpningar inom implanterbar elektronik och enheter baserade på grafen, nanorör, och ett antal andra lovande material.

Den mikroskopiska mekanism som forskarna föreslår skiljer sig väsentligt från den vanliga halvmetallmodellen baserad på en stark elektron-elektron-interaktion. Detta kan ge upphov till en ny riktning i jakten på "icke-metalliska" halvmetaller, d.v.s. de som inte innehåller atomer av övergångsmetaller som nickel, mangan och lantan. Sådana material skulle vara användbara i implanterbara enheter och system. Författarna använder termen "spin-valley-tronics" för att hänvisa till detta möjliga alternativ till traditionell elektronik.

När elektroniken blir mindre och tätare organiserad, det är mycket utmanande att fortsätta öka antalet transistorer eller mikroprocessorns klockfrekvens. Så forskare runt om i världen undersöker nya möjligheter. En av dem är spintronics, som använder elektronspinn och redan har några viktiga praktiska tillämpningar. Runt sekelskiftet, användningen av gigantiska magnetoresistansmaterial i magnetfältssensorer (används för att läsa data på hårddiskar) har möjliggjort lagring av mycket större mängder data på hårddiskar.

Halvmetaller tros ha stor potential inom spintronik. De förutspåddes först baserat på datasimuleringar och visade sig senare existera experimentellt. I ett halvmetalliskt material, elektroner med endast en rotationsorientering - t.ex. snurra upp - delta i den elektriska strömmen. Energin hos nedåtriktade elektroner är för hög, och därför kan de inte bära laddström. Detta betyder att när strömmen förs genom en halvmetall, en spin-polariserad ström genereras, också. Men spin-valley-tronics försöker manipulera inte bara en spin-polariserad population av elektroner i strömmen utan också det så kallade dalindexet.

Termen "dal" är lånad från halvledarfysik. Matematiskt, excitationsenergin i ett fast ämne uttrycks med E (k, n), där k är elektronens momentum och n är zonindex, d.v.s. en diskret kvantegenskap hos elektronens tillstånd. Denna funktion kan se ganska udda ut, och när det gäller flera minimum med jämförbara excitationsenergier, det finns flera "dalar". Väsentligen, elektroner vars tillstånd motsvarar en av dalarna inte interagerar med elektroner från en annan dal. En sådan ensemble av elektroner kan inte bara bära snurr och laddning, men också ett distinkt värde som kallas dalindex.

Dalindexet kan användas för att överföra information med hjälp av dalströmmar - i detta avseende dalindexet är ganska likt spinn. Forskning i denna riktning bedrivs för närvarande av flera grupper. Forskarna har nu teoretiskt bevisat förekomsten av en ny klass av material för användning i spin-valley-tronics.

Halvmetallerna tillgängliga för forskarna innehåller alla atomer av övergångsmetaller:nickel, mangan, lantan, etc. Forskarna demonstrerade en teoretisk mekanism för att uppnå halvmetallicitet som inte kräver några övergångsmetallatomer. Detta har ett antal användbara applikationer, inklusive i implanterbara enheter.

Fysikerna föreslår att sådana icke-metalliska halvmetaller erhålls från en särskild klass av dielektriska material som kallas laddnings- eller spinndensitetsvågisolatorer. Uttrycket hänvisar till ett tillstånd med periodiska mikroskopiska regioner med icke -noll genomsnittlig laddning (snurr) i materialet. Teoretiker beskriver sådana system som ett kvantkondensat av elektronhålspar. För att ett par av detta slag ska bildas, två dalar krävs:En tillhandahåller elektroner, den andra ger hål. Det är närvaron av två dalar i det ursprungliga systemet som ger upphov till spindalen halvmetallicitet. I halvledarfysik, ett "hål" är en kvasipartikel som anses ha en positiv laddning.

För att ett material med en densitetsvåg ska bli en halvmetall, det kräver en särskild behandling som kallas dopning. Detta innebär införlivande av elektroner eller hål i isolatorn. Alexander Rozhkov, en medförfattare till uppsatsen och en forskare vid MIPT:s avdelning för problem med fysik och energi, förklarar att ett system kan dopas genom att utsätta det för ett externt elektriskt fält eller kemiska modifieringar av bulk eller yta:"För varje system, en lämplig typ av dopatom - som kväve, fosfor, eller något annat element - måste väljas. Genom att ersätta värdsystemets atomer med föroreningar som donerar eller accepterar ledningselektroner, en förändring i originalmaterialets egenskaper induceras. "

Möjligheten att dopa material med densitetsvågor har diskuterats i litteraturen under lång tid. De system som forskarna behandlar har olika faser, inklusive rumsligt inhomogen - till exempel stater med den så kallade elektroniska fasseparationen, och faserna med domänväggar, kallas ofta "ränder". Nu, forskarna har gjort den oväntade upptäckten av två nya faser-regelbunden och halvmetallicitet i spindalen.

Artem Sboychakov, en av författarna till uppsatsen och en senior forskare vid ITAE RAS, sa, "På ett sätt, vår upptäckt visade sig vara en överraskning även för oss själva. Den fysiska modellen som, vi hittade, har en spin-valley halvmetallfas är en klassisk fas-den har studerats i årtionden. Det är nu upp till experterna. Det finns gott om material som beskrivs tillräckligt med modellen vi behandlade. Jag är därför övertygad om att den fas vi förutspådde så småningom kommer att upptäckas, antingen i ett material som är tillgängligt idag eller i ett material som ännu inte ska syntetiseras. "