Спін-долинні півметали - новий тип матеріалів, передбачений фізиками, може знайти застосування у вживленій електроніці. Правда, поки тільки в теорії.
На зміну звичній напівпровідниковій електроніці, що використовує тільки заряд електрону, скоро повинні прийти більш досконалі пристрої, робота яких спирається на використання також його спина. Відповідно, цей напрямок електроніки отримав назву спінтроніка.
Великий інтерес для неї представляють так звані півметали - провідники, в яких на відміну від металів струм створюється тільки електронами із заданим напрямком спину, наприклад, зі спином вгору.
Для протилежного спрямування спина ці матеріали являють собою діелектрики або напівпровідники. Завдяки цьому електричний струм через півметал автоматично переносить спин, тобто є спиновим струмом, що і дозволяє використовувати півметали в спинтроніці.
Існування таких матеріалів фізики нещодавно обґрунтували за допомогою комп'ютерного моделювання, а потім виявили експериментально. Всі відомі в даний час півметали містять у кристалічній решітці атоми перехідних металів на кшталт нікелю, марганцю або лантану.
Дослідники з МФТІ та ІТПЕ РАН разом з колегою з Японії теоретично обґрунтували можливість існування нового класу матеріалів, які вони запропонували назвати спін-долинними півметалами. Це дуже перспективний матеріал для спинтроніки. Результати дослідження опубліковані в журналі Physical Review Letters.Автори
дослідження запропонували нову мікроскопічну модель виникнення півметаличності, що не вимагає наявності атомів перехідних металів. Це дозволить у майбутньому отримати «неметалічні» півметали, які також можна буде використовувати в системах на основі вуглецевих (графена, нанотрубок) та інших перспективних матеріалів. Такі матеріали знайдуть застосування, наприклад, у вживлених пристроях, де бажано використовувати неметалічні матеріали.
Більш точно, дане дослідження відноситься до спін-долинної електроніки, волітроніки, де передбачається використовувати не тільки спин, що переноситься струмом, але і так званий долинний індекс. Термін «долина» взято з фізики напівпровідників. У деяких з них є кілька мінімумів дозволеної енергії електронів провідності (мовою зонної теорії - мінімумів зони провідності), які фізики називають долинами.
Наближено можна вважати, що електрони, стан яких відповідає одній з долин, не взаємодіють з електронами, які знаходяться в іншій долині. Такі електрони можуть переносити не тільки спин і заряд, але і нову величину - долинний індекс (по суті, номер долини), який може бути використаний для передачі інформації.
Речовин, які добре описуються розглянутою моделлю, відомо досить багато. Тому автори роботи переконані, що передбачений півметалічний стан буде, врешті-решт, виявлено, або в уже існуючих з'єднаннях, або в матеріалах, які будуть синтезовані в майбутньому.
Отримувати «неметалічні півметали» фізики пропонують з так званих діелектриків з хвилею зарядової або спинової щільності. Такою хвилею називають періодично розташовані в матеріалі мікроскопічні ділянки з ненульовим середнім зарядом або спином. Суттєву роль тут відіграють електрон-дирочні пари. Для їх отримання потрібні дві долини, одна дасть електрони, інша - дірки. Саме наявність двох долин у вихідній системі і дасть можливість створити спін-долинний півметал.
Для цього діелектрики необхідно спеціально обробити - легувати, або по іншому - допувати. Легіючі атоми - азот, фосфор або інші заміщують вихідні атоми, віддаючи або приймаючи електрони провідності, змінюючи властивості вихідного матеріалу.
У основі допування може лежати як вплив на систему зовнішнім електричним полем, так і хімічні реакції на поверхні або в обсязі. Легування відоме давно, але можливість формування при цьому фаз звичайного і спін-долинного півметалу - новий і несподіваний результат.
За матеріалами прес-служби МФТІ