Графен может быть магнитом

Недавно знаменитый материал графен, открытый несколько лет назад российскими физиками, обнаружил у себя еще одно уникальное свойство. Оказывается, он может при определенных условиях становиться ферромагнетиком. Получается, что из графена действительно можно изготовлять спиновые транзисторы — основу электроники и вычислительной техники будущего.

Фото:

Интересно, что эту способность у материала обнаружил один из его "отцов", Андрей Константинович Гейм. Или, если выражаться точнее, сэр Гейм — ведь 31 декабря прошлого года указом британской королевы Елизаветы II ему и его коллеге Константину Новоселову, который также является первооткрывателем графена, было присвоено рыцарское звание. Ну, а в нынешнем исследовании у сэра Гейма тоже был соавтор — его супруга Ирина Григорьева, которая, как и сам Андрей Константинович, является сотрудником Манчестерского университета.

Следует заметить, что теоретические работы, в которых была предсказана возможность графена проявлять магнитные свойства, появились еще год назад. Их авторы считали, что графен, как и многие другие соединения углерода, вполне способен стать ферромагнетиком. Напомню, что ферромагнетиками считаются вещества, которые при температуре ниже точки Кюри (температура, при которой изменяется строение кристаллической решетки) способны обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Читайте также: Графен не оставит террористам шансов

Как вы помните, графен является двумерной аллотропной модификацией углерода, образованной слоем атомов данного элемента толщиной во всего лишь один атом (что делает его одновременно самой тонкой и самой прочной в мире пленкой). Такая структура, по идее, не должна сама по себе проявлять свойства ферромагнетика. Однако некоторые физики говорили о том, что если заменить в графене некоторые атомы углерода на таковые фтора или убрать ряд атомов, создав пустоты в пленке (которые называются "вакансиями"), то может произойти упорядочивание магнитных моментов всех атомов структуры и вещество станет магнитом.

Сэр Гейм и его супруга, ознакомившись с этими трудами, решили проверить оба способа. В первой серии экспериментов в графен были добавлены атомы фтора. Во второй ученые создали в пленке эти самые "вакансии". После чего образцы подвергли охлаждению до точки Кюри, которая в данном случае была достижима при гелиевой температуре (то есть при температуре, ниже которой гелий становится жидким веществом, это происходит в районе четырех градусов Кельвина).

В результате этих опытов в обоих случаях графен превратился хоть в слабенький, но, тем не менее, магнит. После этого исследователи, проанализировав результаты, поняли, почему все предшествующие попытки намагнитить это вещество окончились неудачей (хотя предшественники Андрея Константиновича действовали по той же схеме). Оказывается, нужно было соблюдать меру и не перебарщивать ни с фторированием, ни с "вакансиями". Если атомов фтора будет добавлено много, то они расположатся слишком близко друг к другу и их взаимодействие уничтожит эффект магнита. Ну, а слишком большое количество "вакансий" просто рассыплет графеновую пленку, и она перестанет существовать как единое целое.

Теперь сэр Гейм и его супруга утверждают, что их открытие делает графен очень перспективным материалом для будущего использования в спинтронике — новой технологии, которая, как сегодня считают, в скором времени начнет заменять менее быструю электронику. Основное ее отличие от электроники заключается в том, что здесь идет управление не только зарядом электрона или других токопроводящих частиц, но и его магнитным моментом — спином. И основными материалами, из которых будут состоять спинтронные приборы, будут как раз ферромагнетики — ведь именно в них достигаются значительно более высокие (до 100 процентов), чем в металлах (до 10 процентов) уровни спиновой поляризации.

Напомню, что спин электрона может находиться в одном из двух состояний — либо "спин-вверх" (направление спина совпадает с направлением намагниченности магнитного материала), либо "спин-вниз" (спин и намагниченность разнонаправлены). Обычно электроны в веществе пребывают в неполяризованном состоянии — и тех, что со спином вверх, и других, чей спин направлен вниз, всегда примерно поровну.

Однако если их поляризовать, то получится ток, создаваемый электронами с однонаправленными спинами (спиновый ток). Итак, для получения подобного тока нужно поляризовать спины так, чтобы они были упорядочены в одном направлении. Это достаточно быстро достигается в том случае, если к ферромагнетику приложить внешнее магнитное поле. Важно также, чтобы еще и время жизни спина (время, в течение которого направление спина не меняется) было достаточно большим для передачи его на нужные расстояния.

Получается, что если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле. И в этом большое преимущество спиновых устройств — переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания.

Кроме того, при изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется и, значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды). Таким образом, спинтронный прибор совсем не будет требовать охлаждения.

Считается, что спиновые приборы будут многофункциональны — они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа. Кроме того, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники.

Все это говорит о том, что в перспективе спинтронные приборы могут стать основой для ЭВМ нового поколения — квантовых компьютеров. Но чтобы это стало возможно, необходимо создать ключевые элементы "спиновых микросхем" — спиновые транзисторы, то есть устройства, в которых можно усиливать, ослаблять или выключать спиновый ток. А на базе спинового транзистора уже будут создаваться новые компьютерные процессоры, сенсоры, программируемые логические устройства и энергонезависимая быстродействующая память высокой плотности.

Ученые уже пробовали создавать спиновые транзисторы, используя такие вещества, как арсенид галлия GaAs, оксид цинка ZnO, сульфид кадмия CdS, а также ферромагнетик, имеющий слоистую структуру "Co84Fe16 — кремний — ферромагнетик Ni80Fe20 — кремний с примесями". Но все они не давали полного эффекта поляризации — удалось добиться лишь сохранения спиновой поляризации в течение длительного времени у 37 процентов электронов при температуре минус 73 градуса по Цельсию.

Читайте также: Самое главное в физике за 2011 год

По мнению же Андрея Константиновича, если для таких транзисторов использовать графен, то можно будет добиться куда более лучших результатов (практически 100 процентов спиновой поляризации). И теперь, когда ему и его супруге удалось доказать, что это вещество может быть ферромагнетиком, графеновые спиновые транзисторы смогут стать реальностью уже в самом ближайшем будущем…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"