Μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Shao Dingfu στο Ινστιτούτο Φυσικής Στερεάς Κατάστασης του Hefei, της Κινεζικής Ακαδημίας Επιστημών, αποκάλυψε έναν νέο μηχανισμό για την επίτευξη ισχυρής πόλωσης σπιν μέσω χρησιμοποιώντας αντιμαγνητικές μεταλλικές διεπαφές.
Τα ευρήματά τους, που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο περιοδικό Newton, προτείνουν ένα τρίτο πρωτότυπο αντισιδηρομαγνητικής σήραγγας σύνδεσης (AFMTJ), ανοίγοντας τον δρόμο για ταχύτερες και πιο πυκνές συσκευές spintronics.
Η πρόκληση της σμίκρυνσης και της ταχύτητας
Καθώς τα ηλεκτρονικά απαιτούν μικρότερο μέγεθος, υψηλότερη ταχύτητα και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, η spintronics, που αξιοποιεί τόσο το φορτίο όσο και το σπιν του ηλεκτρονίου, προβάλλει ως ελκυστική εναλλακτική στα συμβατικά κυκλώματα. Οι μαγνητικές σήραγγες σύνδεσης (MTJs), βασική τεχνολογία spintronics, χρησιμοποιούνται ήδη στην αποθήκευση δεδομένων, αλλά περιορίζονται από τις χαμηλές ταχύτητες και τα ανεπιθύμητα μαγνητικά πεδία των σιδηρομαγνητικών τους τμημάτων.
Τα πλεονεκτήματα των αντισιδηρομαγνητικών υλικών
Τα αντισιδηρομαγνητικά (AFM) υλικά υπερτερούν, καθώς δεν διαθέτουν καθαρό μαγνητισμό, δεν δημιουργούν παράσιτα μαγνητικά πεδία και παρουσιάζουν πολύ ταχύτερες αποκρίσεις σπιν, καθιστώντας τα ιδανικά για μελλοντικές συσκευές. Ωστόσο, οι μέχρι σήμερα AFM σήραγγες σύνδεσης βασίζονταν σε συγκεκριμένες ιδιότητες του όγκου των υλικών, γεγονός που περιόριζε δραστικά τις επιλογές.
Η έμφαση στις διεπαφές
Η ερευνητική ομάδα προσέγγισε το πρόβλημα εξετάζοντας τις διεπιφανειακές επιδράσεις, που συχνά είχαν υποτιμηθεί. Ανακάλυψαν ότι καταστέλλοντας τις ιδιότητες του όγκου, ορισμένα AFM υλικά – ιδίως οι αντισιδηρομαγνήτες τύπου Α – μπορούν να εμφανίσουν ισχυρή πόλωση σπιν σε λείες και σταθερές διεπαφές, ακόμη κι αν στερούνται διαχωρισμένων καταστάσεων σπιν στο εσωτερικό τους.
Προσομοίωση και νέα σχεδίαση
Με χρήση υπολογιστικών μοντέλων πρώτων αρχών, σχεδίασαν μια νέα AFMTJ που αποτελείται από ένα δισδιάστατο AFM μέταλλο τύπου Α (Fe₄GeTe₂) και ένα μονωτικό φράγμα βορίου-αζώτου (BN). Παρά τον εκφυλισμένο χαρακτήρα της ηλεκτρονικής δομής του Fe₄GeTe₂, εμφανίστηκαν έντονα πολωμένα ρεύματα σπιν λόγω διεπιφανειακών φαινομένων. Τα ρεύματα αυτά παρέμειναν σταθερά ανεξαρτήτως πάχους ή παραλληλίας στρώσεων του ηλεκτροδίου, επιβεβαιώνοντας την προέλευσή τους από τη διεπαφή.
Υψηλή μαγνητοαντίσταση σήραγγας
Καθοριστικό εύρημα ήταν ότι η νέα σύνδεση παρουσίασε μαγνητοαντίσταση σήραγγας (TMR) σχεδόν 100% – αντίστοιχη με τις συμβατικές σχεδιάσεις – απλώς με την εναλλαγή του προσανατολισμού των μαγνητικών ροπών στη διεπαφή. Αυτή η προσέγγιση διευρύνει σημαντικά τη γκάμα των υλικών που μπορούν να χρησιμοποιηθούν στη spintronics, ιδιαίτερα καθώς πολλά AFM υλικά μπορούν να αναπτυχθούν με διάταξη τύπου Α μέσω κατάλληλης επιλογής κατεύθυνσης ανάπτυξης.
Σχόλια από ειδικούς
Σε συνοδευτικό άρθρο σχολιασμού, οι καθηγητές Jose Lado (Πανεπιστήμιο Aalto) και Saroj P. Dash (Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Chalmers) τόνισαν:
«Οι μη αντισταθμισμένες διεπαφές στους αντισιδηρομαγνήτες φέρνουν νέες ευκαιρίες για ετεροδομές van der Waals», χαρακτηρίζοντας τη μελέτη ως εννοιολογική τομή με πρακτική σημασία.
Η έρευνα αυτή αμφισβητεί την παλαιά αντίληψη ότι οι ιδιότητες του όγκου είναι απαραίτητες για εφαρμογές AFM στη spintronics, και θέτει τις βάσεις για υψηλών επιδόσεων, διεπιφανειακά σχεδιασμένες συσκευές στη μετα-Moore εποχή.
Περισσότερες πληροφορίες: Liu Yang et al, Αντισιδηρομαγνητικές συνδέσεις σηράγγων ελεγχόμενες από διεπαφή, Newton (2025). DOI: 10.1016/j.newton.2025.100142