Ett team av fysiker på MIPT har erbjudit en ny design av en spindiod, placera enheten mellan två typer av antiferromagnetiska material. Genom att justera orienteringen av deras antiferromagnetiska axlar, det är möjligt att ändra motståndet och diodens resonansfrekvens. Dessutom, detta tillvägagångssätt tredubblar frekvensområdet på vilket enheten kan rätta till växelström. På samma gång, spindiodens känslighet är jämförbar med den hos dess halvledaranaloger. Tidningen publicerades i Fysisk granskning B .

"Konventionella spindioder med fria ferromagnetiska lager fungerar bara på förutbestämda frekvenser som inte överstiger två till fyra gigahertz, "förklarar seniorforskaren Konstantin Zvezdin från Laboratory of Magnetic Heterostructure Physics and Spintronics for Energy-Efficient Information Technologies at MIPT.

"I det här pappret, vi föreslår en diod med ferromagnetiska lager som är fästa av antiferromagnetiska lager. Detta gör att enheten kan arbeta med nästan 10 gigahertz, utan att offra dess känslighet på något väsentligt sätt. Som ett resultat, vi utökar utbudet av möjliga tillämpningar av spindioder till att inkludera saker som all-weather-maskinsyn baserad på mikrovågsholografi, bland andra, "säger forskaren som också leder ett projekt fokuserat på spintronics vid Russian Quantum Center.

Elektroniska enheter som dioder, transistorer, driftförstärkare, etc. manipulera elektriska strömmar. Med andra ord, deras funktion är beroende av flödet av laddade partiklar - elektroner och hål. I en halvledardiod, till exempel, det finns en region som kallas p-n-korsningen där ett material med en stor elektronkoncentration möter materialet med en stor hålkoncentration. Som ett resultat, den elektriska strömmen kan bara passera genom korsningen i en riktning. På grund av detta, dioder kan användas för att bygga en likriktare - det vill säga en enhet som gör växelström (AC) till likström (DC).

Förutom att debitera, elektroner har en annan viktig egenskap, snurra, som är en kvantmekanisk analog av en roterande kropps vinkelmoment i klassisk fysik. Vanligtvis, elektronernas snurr i en elektrisk ström är slumpmässigt orienterade. Dock, det är möjligt att anpassa dem, vilket resulterar i ett märkligt fenomen som kallas spinnström. Spintronics är studiet av spinnströmmar. Vid det här laget, forskare har kommit på hur man tillverkar spintronic nanogeneratorer, mikrovågsstrålningsdetektorer, och magnetfältssensorer som överträffar deras elektroniska analoger.

Som en halvledardiod, spindioden fungerar som likriktare. Det görs genom att sätta in ett lager dielektriskt material mellan två tunna ferromagneter. Operationen är baserad på effekter som kallas tunnelmagnetoresistans och vridmoment. När en ström strömmar genom det första ferromagnetiska skiktet, elektronernas snurr anpassar sig till dess magnetisering, vilket resulterar i en spinnström. Elektronerna tunnlar sedan genom det dielektriska materialet och kör in i det andra ferromagnetiska skiktet. Beroende på vinkeln mellan detta lagerets magnetisering och elektronernas snurr, det kan vara lättare eller svårare för dem att passera. Därför, enhetens motstånd är en funktion av de magnetiska skiktens ömsesidiga orientering (första effekt). På samma gång, elektronerna försöker vända det andra lagret för att göra det lättare för dem att passera igenom (andra effekten). Därför, när en växelström strömmar genom dioden, magnetiseringen av dess lager - och med den, motståndet - oscillerar med strömmen, rätta till det.

Detta gör det möjligt att tillverka spindioder med en känslighet på över 100, 000 volt per watt, medan konventionella Schottky -dioder max når 3, 800. Känslighet definieras som förhållandet mellan den utgående likspänningen och den applicerade växelströmmen. Det är en indikation på hur väl enheten kan rätta till en elektrisk ström. En av bristerna i spindioder är att deras känslighet är starkt beroende av AC -frekvensen, spikar nära en viss resonans och snabbt bleknar till nästan noll någon annanstans. Det bör också noteras att resonansfrekvenserna för alla tidigare tillverkade spindioder inte överstiger 2 gigahertz. Dock, några applikationer, bland dem mikrovågsholografi, kräver dioder som arbetar vid högre frekvenser.

I deras papper, de MIPT-baserade fysikerna beskriver ett sätt att förinställa diodens resonansfrekvens under tillverkningen och samtidigt öka dess driftsfrekvens. För att uppnå detta, de klibbar den ferromagnetiska "sandwich" -strukturen mellan två antiferromagnetiska lager (se fig. 1b). Som ett resultat, ferromagneterna fästs på antiferromagneter i det som kallas utbytesnålning, tillåter vinkeln mellan ferromagnets magnetiseringar (fig. 1a, botten) som ska kontrolleras. Detta gör det möjligt för forskarna att ställa in motståndet och resonansfrekvensen för enheten. För att testa om den föreslagna konstruktionen är genomförbar, forskarna modellerade numeriskt en spindiod med lager som är flera nanometer tjocka och studerade dess egenskaper.

I ferromagnetiska och antiferromagnetiska material, atomernas snurr uppvisar långdistansordning-det vill säga strukturen upprepar sig. I en ferromagnet, alla atoms snurr är inriktade parallellt med en viss axel, medan de i antiferromagneter orienterar sig vinkelrätt mot axeln. För att göra den här bilden mer realistisk, du måste också ta hänsyn till effekten av termiska fluktuationer på spinnorienteringar. När en viss temperatur har uppnåtts, centrifugeringsorienteringar är helt randomiserade av de termiska fluktuationerna, förstöra den långsiktiga ordningen och förvandla materialet till en paramagnet. För ferromagnetiska material, denna kritiska temperatur kallas Curie -punkten. För antiferromagnetiska material, det är känt som Néeltemperaturen. En annan egenskap hos verkliga material är att snurren i dem endast uppvisar inriktning över makroskopiska regioner som kallas domäner, inte i hela materialet.

Vad modellen visade

Först undersökte teamet hur vinkeln fer mellan ferromagnetiska skiktmagnetiseringar beror på vinkel φ mellan axlarna på antiferromagneterna (fig. 1a, topp). Den senare, även känd som den antiferromagnetiska fästvinkeln, kan styras under tillverkningen av dioden. Som framgår av figur 2, dessa vinklar är relaterade men inte desamma. Det visade sig att vinkeln mellan magnetiseringarna bara kan varieras mellan 110 och 170 grader. Dessutom, beroendet är olinjärt för intervallet från 110 till 140 grader. Ändå, denna spelrum är tillräcklig för att kontrollera diodens egenskaper.

Forskarna fortsatte med att undersöka beroende av diodkänslighet på AC -frekvens, fixera vinkeln mellan lagermagnetiseringar. De fann att nära resonansfrekvensen, enhetens känslighet ökar kraftigt (fig. 3), når cirka 1, 000 volt per watt. Detta värde är lägre än den maximala känsligheten för tidigare tillverkade spindioder, Ändå är det jämförbart med samma värde på konventionella halvledardioder.

Viktigt, den nya diodens resonansfrekvens kan ställas in i intervallet från 8,5 till 9,5 gigahertz genom att styra vinkeln φ när enheten tillverkas. Som sagt, forskarna har bara studerat sin föreslagna design teoretiskt. Nästa steg skulle vara att skapa ett experimentellt prov och använda det för att testa deras förutsägelser.

I en tidigare studie, MIPT -fysiker upphetsade magnetiska virvlar i spintroniska enheter baserade på ett ferromagnetiskt material och en topologisk isolator. Det senare är ett märkligt material som fungerar som en ledare på ytan men som annars är en isolator.