Дослідникам Університету Майнца вперше вдалося безпосередньо спостерігати 100% спинову поляризацію з'єднання Гейслера.
Автори назвали свою роботу проривом, який фізики і хіміки в усьому світі вже давно очікували, і передбачили, що вона буде грати ключову роль в області інформаційних технологій в найближчі роки. Таке твердження має підстави, оскільки результати експерименту забезпечують фундамент для майбутнього розвитку високопродуктивних пристроїв спінтроніки з використанням матеріалів Гейслера. Ці матеріали можуть знайти застосування, наприклад, у читаючих головках жорстких дисків і енергонезалежних елементах зберігання інформації надмалих розмірів, що забезпечують дуже високу щільність запису.
Традиційна електроніка заснована на перенесенні електронами заряду. Але ці елементарні частинки мають ще одну цікаву властивість - спин. Спін являє собою власний момент імпульсу частинки. Хоча при поясненні сутності спина часто говорять про нього як про результат обертання частинки, пояснити його на основі механіки неможливо. Це чисто квантове явище. Для нас зараз важливо знати, що спин електрону має напрямок - спинову поляризацію і породжує спиновий магнітний момент - власне магнітне поле частинки. Останнє дозволяє керувати напрямком спину за допомогою магнітного поля.
Можливістю використання явищ, пов'язаних зі спином електронів, з 1980-х років займається спинтроніка (спинова електроніка). В її основі лежить відкрите в 1988 році явище гігантського магнітосопротивлення (ДМС), за яке в 2007 році була вручена Нобелівська премія. ДМС полягає в тому, що опір тришарового металевого «сендвіча» з двох ферромагнетиків, між якими розташований нанослою немагнітного металу (наприклад, залізо-хром-залізо), сильно залежить від орієнтації спинів електронів у ферромагнітних шарах. Якщо спини паралельні, то немагнітний матеріал (хром) добре пропускає струм, якщо антипаралельні, то його опір різко зростає. Аналогічна ситуація виникає, якщо замість провідника середній шар виготовити з діелектрика. Там залежний від спину струм буде пов'язаний з тунельним ефектом, а відповідне збільшення опору отримало назву тунельний магнітний опір (ТМС).
Таким чином, структури з ДМС служать вентилями, які легко управляються магнітним полем, і можуть бути використані в створенні різних цифрових пристроїв. Ця технологія обіцяє багато переваг: мініатюризацію, збільшення швидкодії та економічності пристроїв, в яких до того ж майже не виділяється тепло. Однак для її втілення необхідно мати відповідні ферромагнітні матеріали, що працюють при кімнатній температурі. Головна вимога до них - якомога більша поляризація електронів, тобто щоб якомога більше електронів мало спин, орієнтований у заданому напрямку. Саме пошуком потрібних матеріалів зайняті фізики і хіміки в останні два десятиліття.
Серед основних кандидатів на цю роль - так звані сплави Гейслера (їх називають ще компаундами Гейслера, від англ. compound - з'єднання). Сплав Гейслера - це сполука трьох металів з хімічною формулою X2YZ, наприклад, Co2MnSi. Цікаво, що така речовина може мати властивості, що відрізняються від властивостей, складових її елементів. Так, з'єднання трьох немагнітних матеріалів може бути ферромагнетиком. Матеріали Гейслера активно вивчаються в усьому світі, особливо в Японії, Німеччині та США. У німецькому університеті імені Йоганна Гутенберга (JGU) з міста Майнц вони є основним предметом досліджень.
Фізики з JGU довели, що сплав Гейслера Co2MnSi має необхідні електронні властивості, і змогли вперше здійснити експериментальний доказ його майже повної спинової поляризації при кімнатній температурі. «Цей клас матеріалів вже давно досліджується, і є істотні теоретичні розробки для необхідних електронних властивостей з'єднань Гейслера, але жоден експеримент раніше не зміг підтвердити 100 процентну спинову поляризацію при кімнатній температурі», - пояснив основний автор дослідження Мартін Джордан з JGU. Обнадійливі результати раніше були отримані при дуже низьких температурах (-269 градусів Цельсія).
Цей проект здійснювався у співпраці з теоретиками з Мюнхенського університету Людвіга-Максиміліана (LMU) та Інституту Макса Планка хімічної фізики твердого тіла (MPI-CPfS) у Дрездені. Результати були нещодавно опубліковані в науковому онлайн-журналі Nature Communications (M. Jourdan et al. Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co2MnSi. Nature Communications, 2014; 5 DOI: 10.1038/ncomms4974.)
«Це не просто прорив у пошуку нових матеріалів спінтроніки, а й у взаємодії між теорією та експериментом», - зазначив Джордан. «Ми змогли показати, що чудово підготовлені матеріали насправді мають властивості, які були теоретично передбачені».
Успішні експерименти були засновані на підготовці зразків з максимальною точністю, що забезпечує відсутність пошкоджень у кристалічній структурі з'єднання Гейслера. Досліджуваний зразок являв собою тонку плівку, створену в надвисокому вакуумі за спеціально розробленою в JGU технологією. Спинову поляризацію вимірювали за допомогою фотоелектронної спектроскопії, результати якої були пояснені у співпраці з теоретиками LMU і MPI- CPfS як результат спеціальної комбінації об'ємних і поверхневих властивостей з'єднання.
За матеріалами Університету Майнца