В работе опубликованной в журнале Journal of Materials Chemistry C нами был изучен новый тип магнетизма — альтермагнетизм. Это явление, предсказанное всего несколько лет назад, способно перевернуть представления об электронике будущего. Альтермагнетики сочетают в себе свойства как ферромагнетиков (спиновое вырождение), так антиферромагнетиков, демонстрирующих нулевой полный магнитный момент. Это делает их идеальными кандидатами для спинтроники – технологии, где информация кодируется не зарядом, а спином частиц, что позволит создать энергонезависимые устройства наноразмерного масштаба.
В фокусе нового исследования — ультратонкие металлические пленки GdAlSi (гадолиний-алюминий-кремний), толщина которых приближается к размеру нескольких слоев. С помощью компьютерного моделирования мы изучили как альтермагнитные свойства материала эволюционируют при переходе от объемных кристаллов к нанометровым слоям. Оказалось, что ключевая особенность альтермагнетизма — зависящее от направления спин-зависимое расщепление электронных состояний — сохраняется даже в пленках толщиной в пару нанометров. Это расщепление возникает из-за особой симметрии кристалла, где магнитные моменты на атомах гадолиния чередуются в строгом порядке между слоями с сохранением поворотной симметрии и трансляции. Например, в определенных точках зоны Бриллюэна спины электронов резко меняют направление — словно стрелка компаса внезапно переворачивается.
Однако при уменьшении толщины пленки до одной элементарной ячейки эффекты, характерные для объемного материала, начинают ослабевать. Причина — влияние поверхности: атомы на краях пленки теряют часть связей с соседями, что нарушает исходную симметрию кристалла. Мы детально изучили, как разные типы поверхности (например, слои алюминия-кремния или гадолиния-алюминия) влияют на магнитные свойства. Оказалось, что даже в таких условиях наиболее энергетически выгодным остается антиферромагнитный порядок с чередованием спинов между соседними слоями. Это дает надежду на то, что ультратонкие пленки GdAlSi можно интегрировать в наноустройства без потери ключевых свойств.
Мы подтвердили сохранение признаков альтермагнетизма в наномасштабе, смоделировав пленки разной толщины — от четырех слоев до половины монослоя — и показали, как постепенное исчезновение «объемных» свойств влияет на электронные состояния. Например, в самых тонких пленках исчезает четкое разделение между атомами в центре и на поверхности: все они в равной степени подвержены влиянию нарушенной симметрии. Еще один полученный результат — резкий рост концентрации носителей заряда в монослоях GdAlSi по сравнению с объемным материалом. Это означает, что тонкие пленки могут проводить ток эффективнее, что критично для миниатюрных электронных компонентов.
Таким образом, обнаруженные нами свойства в тонких пленках, демонстрирующих уникальное альтермагнитное поведение, открывают путь к созданию элементов памяти, датчиков или логических схем, где спиновые свойства материала определяют быструю и эффективную работу устройств без потерь на нагрев и в энергонезависимом режиме.
В фокусе нового исследования — ультратонкие металлические пленки GdAlSi (гадолиний-алюминий-кремний), толщина которых приближается к размеру нескольких слоев. С помощью компьютерного моделирования мы изучили как альтермагнитные свойства материала эволюционируют при переходе от объемных кристаллов к нанометровым слоям. Оказалось, что ключевая особенность альтермагнетизма — зависящее от направления спин-зависимое расщепление электронных состояний — сохраняется даже в пленках толщиной в пару нанометров. Это расщепление возникает из-за особой симметрии кристалла, где магнитные моменты на атомах гадолиния чередуются в строгом порядке между слоями с сохранением поворотной симметрии и трансляции. Например, в определенных точках зоны Бриллюэна спины электронов резко меняют направление — словно стрелка компаса внезапно переворачивается.
Однако при уменьшении толщины пленки до одной элементарной ячейки эффекты, характерные для объемного материала, начинают ослабевать. Причина — влияние поверхности: атомы на краях пленки теряют часть связей с соседями, что нарушает исходную симметрию кристалла. Мы детально изучили, как разные типы поверхности (например, слои алюминия-кремния или гадолиния-алюминия) влияют на магнитные свойства. Оказалось, что даже в таких условиях наиболее энергетически выгодным остается антиферромагнитный порядок с чередованием спинов между соседними слоями. Это дает надежду на то, что ультратонкие пленки GdAlSi можно интегрировать в наноустройства без потери ключевых свойств.
Мы подтвердили сохранение признаков альтермагнетизма в наномасштабе, смоделировав пленки разной толщины — от четырех слоев до половины монослоя — и показали, как постепенное исчезновение «объемных» свойств влияет на электронные состояния. Например, в самых тонких пленках исчезает четкое разделение между атомами в центре и на поверхности: все они в равной степени подвержены влиянию нарушенной симметрии. Еще один полученный результат — резкий рост концентрации носителей заряда в монослоях GdAlSi по сравнению с объемным материалом. Это означает, что тонкие пленки могут проводить ток эффективнее, что критично для миниатюрных электронных компонентов.
Таким образом, обнаруженные нами свойства в тонких пленках, демонстрирующих уникальное альтермагнитное поведение, открывают путь к созданию элементов памяти, датчиков или логических схем, где спиновые свойства материала определяют быструю и эффективную работу устройств без потерь на нагрев и в энергонезависимом режиме.