Мультиферроики в спинтронике

Мультиферроики — это материалы, обладающие одновременно несколькими ферроическими порядками: ферромагнетизмом, ферроэлектричеством и/или ферроэластичностью. Их уникальная особенность заключается в возможности управлять магнитным состоянием с помощью электрического поля и наоборот, что делает их крайне перспективными для спинтроники.

Ферромагнитный порядок в мультиферроиках характеризуется спонтанной намагниченностью, которая может быть направлена и удерживаема без внешнего магнитного поля.

Ферроэлектрический порядок проявляется в наличии спонтанной электрической поляризации, которая может быть изменена приложением внешнего электрического поля.

Ключевой аспект: взаимодействие этих порядков через магнитоэлектрический эффект позволяет реализовать управление спином электронов электрическим полем, что является основой многих спинтронных устройств.

Магнитоэлектрический эффект

Магнитоэлектрический эффект описывает изменение магнитного состояния под действием электрического поля или изменение поляризации под действием магнитного поля. В мультиферроиках этот эффект является сильным за счет непосредственного взаимодействия магнитного и электрического подрежимов.

Примеры магнитоэлектрического эффекта в спинтронике:

  • Электрическое управление намагниченностью: позволяет изменять направление магнитного момента без использования магнитного поля, снижая энергозатраты.
  • Создание магнитоэлектрических спинтронных логических элементов: комбинация электрического управления и спинового тока открывает возможности для логики с низким энергопотреблением.

Магнитоэлектрический эффект в мультиферроиках часто измеряется коэффициентом α, который связывает изменение намагниченности ΔM с приложенным электрическим полем E:

ΔMi = αijEj

где индексы i и j обозначают пространственные направления.

Классификация мультиферроиков

Мультиферроики подразделяются на несколько типов в зависимости от механизма взаимодействия ферроических порядков:

  1. Тип I (слабые мультиферроики):

    • Ферромагнитные и ферроэлектрические порядки развиваются независимо.
    • Магнитоэлектрическое взаимодействие слабое, но термодинамически стабильное.
    • Примеры: BiFeO₃, YMnO₃.

  2. Тип II (сильные мультиферроики):

    • Ферроические порядки взаимосвязаны, например, ферромагнетизм индуцирован ферроэлектрической поляризацией.
    • Высокая чувствительность к внешним полям.
    • Примеры: TbMnO₃, DyMnO₃.

Особенность для спинтроники: Тип II мультиферроики позволяют электрически переключать магнитный порядок без внешнего магнитного поля, что крайне важно для создания энергоэффективных спинтронных устройств.

Механизмы управления спиновым состоянием

Мультиферроики предоставляют несколько механизмов для управления спиновыми состояниями:

  1. Электрическое управление через магнитоэлектрический эффект: Электрическое поле изменяет направление магнитного момента, что позволяет реализовать переключение спиновых логических ячеек.

  2. Электростатическая инжекция спинового тока: Через интерфейс мультиферроика с ферромагнитным проводником можно создавать направленный спиновый ток, управляемый электрическим полем.

  3. Стрейн-управление (механическое напряжение): Изменение кристаллической решетки под действием напряжения индуцирует изменение магнитного порядка через спин-орбитальное взаимодействие.

Применение мультиферроиков в спинтронике

1. Спинтронные память (MeRAM):

  • Использование мультиферроиков позволяет создавать магнитные ячейки, управляемые электрическим полем.
  • Преимущества: низкое энергопотребление, высокая скорость переключения, стабильность состояния.

2. Магнитоэлектрические датчики и сенсоры:

  • Чувствительность к малым электрическим и магнитным полям обеспечивает высокоточную детекцию.
  • Применение в сверхчувствительной магнитометрии и биомедицинских сенсорах.

3. Логические устройства на спиновом принципе:

  • Электрически управляемые спиновые фильтры и логические элементы на основе мультиферроиков открывают путь к энергоэффективным процессорам нового поколения.

Вызовы и перспективы

  1. Повышение магнитоэлектрического коэффициента: Для практического применения необходимо увеличение α до уровня, позволяющего надежное переключение магнитного состояния при низких напряжениях.

  2. Стабильность при комнатной температуре: Многие сильные мультиферроики работают при низких температурах, что ограничивает их применение в повседневных устройствах.

  3. Интеграция с существующими технологиями: Требуется разработка гетероструктур с интерфейсами мультиферроик–ферромагнетик, совместимых с CMOS-технологией.

  4. Управление доменной структурой: Для надежного использования необходимо контролировать формирование и движение доменов, что напрямую влияет на эффективность магнитоэлектрического переключения.

Оглавление