Uma equipe de físicos do MIPT ofereceu um novo design de um diodo de spin, colocar o dispositivo entre dois tipos de materiais antiferromagnéticos. Ajustando a orientação de seus eixos antiferromagnéticos, é possível alterar a resistência e a frequência de ressonância do diodo. Além disso, esta abordagem triplica a faixa de frequências em que o dispositivo pode retificar a corrente alternada. Ao mesmo tempo, a sensibilidade do diodo de spin é comparável à de seus análogos semicondutores. O artigo foi publicado em Revisão Física B .

"Diodos spin convencionais com camadas ferromagnéticas livres operam apenas em frequências predeterminadas que não excedem dois a quatro gigahertz, "explica o pesquisador sênior Konstantin Zvezdin, do Laboratório de Física Heteroestrutural Magnética e Spintrônica para Tecnologias de Informação Eficientes em Energia do MIPT.

"Nesse artigo, propomos um diodo com camadas ferromagnéticas fixadas por camadas antiferromagnéticas. Isso permite que o dispositivo opere a quase 10 gigahertz, sem sacrificar sua sensibilidade de forma significativa. Como resultado, expandimos a gama de aplicações possíveis de diodos de spin para incluir coisas como visão de máquina para qualquer clima com base em holografia de micro-ondas, entre outros, "afirma o pesquisador que também lidera um projeto voltado para spintrônica no Russian Quantum Center.

Dispositivos eletrônicos, como diodos, transistores, amplificadores operacionais, etc. manipular as correntes elétricas. Em outras palavras, sua operação depende do fluxo de partículas carregadas - elétrons e buracos. Em um diodo semicondutor, por exemplo, existe uma região chamada junção p-n, onde um material com uma grande concentração de elétrons encontra o material com uma grande concentração de orifícios. Como resultado, a corrente elétrica só pode passar pela junção em uma direção. Por causa disso, diodos podem ser usados ​​para construir um retificador, isto é, um dispositivo que transforma a corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC).

Além de cobrar, elétrons têm outra propriedade importante, rodar, que é um análogo mecânico quântico do momento angular de um corpo em rotação na física clássica. Normalmente, os spins dos elétrons em uma corrente elétrica são orientados aleatoriamente. Contudo, é possível alinhá-los, resultando em um fenômeno peculiar conhecido como corrente de spin. Spintrônica é o estudo das correntes de spin. Por enquanto, cientistas descobriram como fabricar nanogeradores spintrônicos, detectores de radiação de microondas, e sensores de campo magnético que ultrapassam seus análogos eletrônicos.

Como um diodo semicondutor, o diodo spin funciona como um retificador. É feito inserindo uma camada de material dielétrico entre dois finos ferromagnetos. A operação é baseada em efeitos chamados magnetorresistência de túnel e torque de transferência de spin. À medida que uma corrente flui através da primeira camada ferromagnética, os spins dos elétrons se alinham com sua magnetização, resultando em uma corrente de spin. Os elétrons então fazem um túnel através do material dielétrico e correm para a segunda camada ferromagnética. Dependendo do ângulo entre a magnetização desta camada e os spins dos elétrons, pode ser mais fácil ou mais difícil para eles passarem. Portanto, a resistência do dispositivo é função da orientação mútua das camadas magnéticas (primeiro efeito). Ao mesmo tempo, os elétrons tentam virar a segunda camada para torná-la mais fácil para eles passarem (segundo efeito). Portanto, quando um AC flui através do diodo, a magnetização de suas camadas - e com ela, a resistência - oscila com a corrente, retificando isso.

Isso torna possível fabricar diodos de spin com uma sensibilidade de mais de 100, 000 volts por watt, enquanto os diodos Schottky convencionais atingem o máximo em 3, 800. A sensibilidade é definida como a relação entre a tensão CC de saída e a energia CA aplicada. É um indicativo de quão bem o dispositivo pode retificar uma corrente elétrica. Uma das falhas dos diodos de spin é que sua sensibilidade depende fortemente da frequência AC, pico perto de uma certa ressonância e rapidamente desbotando para quase zero em outros lugares. Também deve ser observado que as frequências de ressonância de todos os diodos de spin fabricados anteriormente não excedem 2 gigahertz. Contudo, alguns aplicativos, entre eles holografia de microondas, requerem diodos operando em frequências mais altas.

Em seu jornal, os físicos baseados no MIPT descrevem uma maneira de predefinir a frequência de ressonância do diodo durante a fabricação e, simultaneamente, aumentar sua frequência de operação. Para alcançar isto, eles prendem a estrutura de "sanduíche" ferromagnética entre duas camadas antiferromagnéticas (ver fig. 1b). Como resultado, os ferromagnetos ficam presos a antiferromagnetos no que é conhecido como fixação de troca, permitindo o ângulo entre as magnetizações dos ferromagnetos (fig. 1a, inferior) a ser controlado. Isso permite que os pesquisadores sintonizem a resistência e a frequência de ressonância do dispositivo. Para testar se o projeto proposto é viável, os cientistas modelaram numericamente um diodo de spin com camadas de vários nanômetros de espessura e estudaram suas propriedades.

Em materiais ferromagnéticos e antiferromagnéticos, os spins dos átomos exibem ordem de longo alcance, isto é, a estrutura se repete. Em um ferromagneto, os spins de todos os átomos estão alinhados em paralelo com um determinado eixo, ao passo que nos antiferroímãs eles se orientam perpendicularmente ao eixo. Para tornar esta imagem mais realista, você também teria que levar em consideração o efeito das flutuações térmicas nas orientações do spin. Uma vez que uma certa temperatura é atingida, as orientações de spin são completamente aleatórias pelas flutuações térmicas, arruinando a ordem de longo alcance e transformando o material em um paramagneto. Para materiais ferromagnéticos, essa temperatura crítica é chamada de ponto de Curie. Para materiais antiferromagnéticos, é conhecida como temperatura Néel. Outra característica dos materiais do mundo real é que os spins neles exibem apenas alinhamento sobre regiões macroscópicas conhecidas como domínios, não em todo o material.

O que o modelo mostrou

Primeiro, a equipe investigou como o ângulo θ entre as magnetizações da camada ferromagnética depende do ângulo φ entre os eixos dos antiferromagnetos (fig. 1a, principal). O último, também conhecido como ângulo de fixação antiferromagnético, pode ser controlado durante a fabricação do diodo. Conforme visto na figura 2, esses ângulos estão relacionados, mas não são os mesmos. Descobriu-se que o ângulo entre as magnetizações só pode variar entre 110 e 170 graus. Além disso, a dependência é não linear para o intervalo de 110 a 140 graus. No entanto, esta margem de manobra é suficiente para controlar as propriedades do diodo.

Os pesquisadores passaram a examinar a dependência da sensibilidade do diodo na frequência AC, fixar o ângulo entre as magnetizações da camada. Eles descobriram que perto da frequência ressonante, a sensibilidade do dispositivo aumenta acentuadamente (fig. 3), chegando a cerca de 1, 000 volts por watt. Este valor é inferior à sensibilidade máxima dos diodos de rotação fabricados anteriormente, ainda assim, é comparável à mesma figura de mérito dos diodos semicondutores convencionais.

Mais importante, a frequência ressonante do novo diodo pode ser sintonizada na faixa de 8,5 a 9,5 gigahertz controlando o ângulo φ quando o dispositivo é fabricado. Dito isto, os pesquisadores estudaram apenas o projeto proposto teoricamente. O próximo passo seria criar uma amostra experimental e usá-la para testar suas previsões.

Em um estudo anterior, Os físicos do MIPT excitaram vórtices magnéticos em dispositivos spintrônicos baseados em um material ferromagnético e um isolante topológico. O último é um material peculiar que atua como um condutor na superfície, mas é um isolante.