|
Новые перспективные материалы для квантовых технологий
|
|
|
|
По мере уменьшения размеров телефонов и компьютеров растет потребность в хранении и передаче данных. Электронные устройства уже несколько десятилетий работают на полупроводниках, но по мере того, как стремление к миниатюризации продолжается, возможности изготовления миниатюрных полупроводников ограничены.
|
|
|
|
Новое поколение портативных устройств требует принципиально нового решения. Спинтроника, или спиновая электроника, - это революционная область физики конденсированных сред, которая может увеличить возможности памяти и логической обработки наноэлектронных устройств при одновременном снижении энергопотребления и производственных затрат. Это достигается за счет использования недорогих материалов и магнитных свойств спина электрона для выполнения функций памяти и логики вместо использования потока электронного заряда, используемого в обычной электронике.
|
|
|
|
Новая работа ученых из Университета штата Флорида продвигает исследования в области спинтроники вперед.
|
|
|
|
Профессора Биву Ма (Biwu Ma) с факультета химии и биохимии и Пэн Сюн (Peng Xiong) с факультета физики работают с низкоразмерными металлорганическими галогенидными гибридами - новым классом гибридных материалов, которые могут использоваться для питания оптоэлектронных устройств, таких как солнечные элементы, светоизлучающие диоды или светодиоды и фотодетекторы.
|
|
|
|
|
|
|
Совместными усилиями они выявили новые магнитные и электронные свойства этих материалов, что указывает на впечатляющий потенциал в области спинтроники. Сюн в своей индивидуальной работе разработал первый образец безмагнитной генерации спина электронов в полупроводнике, что способствует недорогой разработке мощных электронных устройств.
|
|
|
|
"Хотя этот новый класс материалов доказал свою полезность при создании оптических материалов для оптоэлектронных устройств, таких как светодиоды, мы впервые наблюдаем некоторые уникальные магнитные свойства", - сказал Ма, эксперт в области химии материалов.
|
|
|
|
"В зависимости от выбора подходящих органических и металлогалогенных компонентов, количество которых теоретически может быть неограниченным, мы можем собирать их в кристаллические структуры с различными размерами. Различные составы и структуры позволяют им проявлять разнообразные свойства, которые могут найти множество применений, начиная от оптоэлектроники и заканчивая спинтроникой, и даже сочетанием того и другого".
|
|
|
|
Лаборатория Ма синтезирует материалы в различных конфигурациях, прежде чем отправить их в лабораторию Сюна для определения электронных и магнитных характеристик — аспиранты обеих лабораторий руководят экспериментами. Затем лаборатория Сюна дает отзывы о свойствах синтезированных материалов.
|
|
|
|
В исследовании под названием "Антиферромагнитное упорядочение в одномерном органическом гибридном изоляторе из хлорида меди", опубликованном в Angewandte Chemie, Ма и Сюн раскрывают недавно открытые свойства, подчеркивая потенциал этих материалов как высоко настраиваемой квантовой платформы для спинтроники.
|
|
|
|
"Приятно осознавать, что это всего лишь одна публикация, выполненная на основе одного конкретного материала", - сказал Ма. "Мы синтезируем сотни материалов и ожидаем, что в будущем появятся более интересные свойства и полезные приложения".
|
|
|
|
Исследовательские группы, возглавляемые доцентом химии и биохимии Бин Оуяном из Бывшего Советского Союза и доцентом физики из Университета штата Северная Каролина Дали Сунь, также внесли свой вклад в это исследование.
|
|
|
|
"Сотрудничество между Biwu и мной очень естественное", - сказал Сюн о продолжающемся четырехлетнем партнерстве. "В двух лабораториях существует множество взаимосвязей между синтезом материала и определением характеристик свойств, что нам нужно точно настроить при синтезе для достижения оптимальных свойств и многое другое. Это очень интерактивный процесс, и у нас есть много разных проектов, которые выполняются одновременно с использованием разных материалов".
|
|
|
|
В то время как совместные исследования дуэта направлены на разработку новых функциональных материалов для использования в спинтронике, индивидуальное исследование Сюнга представляет собой совершенно новый способ питания спинтроники, используя взаимодействие спина электрона с хиральностью окружающей среды для получения свободного от магнитов спина электрона в полупроводнике.
|
|
|
|
В настоящее время генерация спина обычно осуществляется посредством взаимодействия с магнитом, и у таких схем есть существенные недостатки. Например, периферийные поля от внешних магнитов могут легко нарушить выравнивание спина, что приводит к осложнениям, если в небольшом электронном устройстве, таком как компьютерный чип высокой плотности, используется несколько полупроводников.
|
|
|
|
В исследовании под названием "Индуцированная хиральностью безмагнитная генерация спина в полупроводнике", опубликованном в журнале Advanced Materials этим летом, Сюн демонстрирует немагнитный путь генерации спина.
|
|
|
|
"Вместо того чтобы прикладывать напряжение к магниту для перемещения электрона в полупроводник и обратно, мы изменяем вращение электрона при прохождении через него", - сказал Сюн. "Мы обнаружили, что когда вы заставляете электрон проходить через хиральную структуру, которая представляет собой тип молекулы, имеющей невоспроизводимое зеркальное отражение, она становится поляризованной по спину и переключает электрон на "вращение" таким образом, чтобы оно совпадало с другими электронами.
|
|
|
|
"Этот процесс не только потребляет меньше энергии, чем обычная генерация спинов, и меньше ее теряет в процессе, но и значительно облегчает достижение высокой плотности интеграции. Наш следующий шаг - добиться безмагнитной спиновой генерации, используя хиральные полупроводники, изготовленные в лаборатории Biwu, вместо очень хрупких хиральных молекул".
|
|
|
|
Эта работа также была представлена в качестве приглашенного доклада на мартовском заседании Американского физического общества в 2024 году. В этом исследовании также приняли участие ученые из Китайской академии наук, Научного института Вейцмана и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.
|
|
|
|
Источник
|
