Cum pot schimba mici variații de fier comportamentul unui material magnetic
O echipă de cercetători a reușit să explice proprietățile neobișnuite ale unui material magnetic, o descoperire care ar putea contribui la îmbunătățirea memoriilor de calcul și la dezvoltarea domeniului „spintronicii”. Rezultatele au fost publicate în revista Physical Review Letters.
Materialul în cauză este disulfura de niobiu intercalată cu fier (FeₓNbS₂), în care atomii de fier sunt inserați în spațiile dintre straturile de disulfură de niobiu. Oamenii de știință manifestă un interes deosebit pentru acest material, deoarece îi pot comuta stările de rezistență prin trimiterea unor impulsuri de curent electric prin el.
„Acest lucru este foarte surprinzător, pentru că de obicei este dificil să comuți astfel de stări cu curent electric la o densitate scăzută”, a declarat profesorul Yu He, coordonatorul studiului. Wenxin Li, doctorand în laboratorul lui He, este primul autor al lucrării.
Un material promițător pentru spintronică
Capacitatea de a-și schimba stările de rezistență în acest mod face din material un candidat promițător pentru spintronică, domeniu în care spinul electronilor este utilizat pentru stocarea sau manipularea informației. Acest lucru ar putea spori capacitatea memoriilor de calcul consumând semnificativ mai puțină energie. De asemenea, ar putea contribui la avansarea calculului cuantic și neuromorfic, printre alte beneficii.
Cu toate acestea, ceea ce conferă acestui material proprietăți atât de interesante a rămas un mister. Deși cercetătorii știau că materialul poate comuta cu ușurință stări magnetice, nu era clar de ce. Anterior, specialiștii din domeniu au folosit o tehnologie cunoscută sub numele de difuzie de raze X pentru a studia ordonările magnetice. Totuși, electronii mobili din magneții metalici precum FeₓNbS₂ pot atenua semnalele și pot face dificilă determinarea intensității interacțiunilor magnetice.
Spectroscopia de fotoemisie, cheia descoperirii
Pentru a rezolva misterul, Li a utilizat o tehnologie cunoscută sub numele de spectroscopie de fotoemisie cu rezoluție unghiulară (ARPES) pentru a examina îndeaproape activitatea electronilor, care determină fundamental atât proprietățile electrice, cât și pe cele magnetice. Aceasta oferă o modalitate complementară de a investiga interacțiunile electronice care mediază magnetismul.
Ceea ce a descoperit echipa a fost că raportul dintre fier și disulfura de niobiu este esențial pentru modul în care electronii fiecărui material interacționează între ei. Când materialul este compus dintr-o treime fier, stările electronice înguste derivate din fier se amestecă puternic cu stările derivate din niobiu, un proces cunoscut sub numele de hibridizare. Peste o concentrație de fier de o treime, stările derivate din fier își pierd coerența și, odată cu ea, capacitatea de a se hibridiza cu niobiul. Reducerea rezultată a cuplajului magnetic dintre straturile atomice înclină balanța dintre două stări magnetice concurente, ceea ce duce la comportamentul unic de comutare a rezistenței al materialului.
„Este nevoie doar de o modificare a raportului atomic fier-niobiu de 2% până la 3%, iar apoi starea magnetică se schimbă complet”, a spus He, profesor asistent de fizică aplicată. „William Blake a scris despre vederea «unei lumi într-un grăunte de nisip». Pentru mine, entuziasmul acestei lucrări constă în a face această conexiune tangibilă”, a declarat Li. „Am folosit fotoemisia pentru a dezvălui direct modul în care stările electronice interacționează la scară atomică și am urmărit cum aceste interacțiuni modelează comportamentul magnetic și electronic al unui întreg cristal.”
Perspective pentru cercetările viitoare
Echipa a precizat că poate folosi aceeași tehnică pentru a investiga originile electronice ale magnetismului și în alți magneți metalici, acolo unde tehnicile obișnuite de difuzie a razelor X sau a neutronilor nu sunt suficiente.
