Электронные устройства с каждым годом становятся все меньше — уменьшаются и элементы, из которых они состоят. Физики из Курчатовского института синтезировали субмонослойные магнитные пленки — упорядоченные структуры толщиной в один атом, но существенно более разреженные, чем монослой вещества. Эти объекты представляют собой принципиально новый класс двумерных магнитных материалов и могут стать основой для создания новых электронных устройств: квантовых компьютеров, ультракомпактных транзисторов, систем хранения и передачи информации.
В последние годы парадигма развития информационных технологий претерпевает фундаментальные изменения. Агрессивная миниатюризация элементов микросхем ведет к тому, что в силу фундаментальных физических ограничений на рубеже нескольких нанометров перестают работать принципы, положенные в основу действия устройств. С физической точки зрения, основные проблемы масштабирования наноэлектроники связаны с энерговыделением. Спинтроника, использующая спин в качестве носителя информации, позволяет решить эту проблему. В последние несколько лет создание двумерных магнитов обеспечило прорыв в элементной базе спинтроники. Двумерные магниты представляют собой магнитные материалы толщиной в несколько монослоев, то есть слоев толщиной в один атом. Эти системы чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям — электрическим и магнитным полям, давлению, температуре, — что важно для создания компонентов квантовых компьютеров, устройств логики и памяти на новых принципах.
«Двумерный магнетизм как отдельная область исследований возник всего около пяти лет назад. Стремительное развитие двумерного ферромагнетизма позволило создать магнитные материалы толщиной вплоть до монослоя. Казалось бы, физический предел миниатюризации таких материалов достигнут, однако мы в своей работе показали, что это не так», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, профессор Вячеслав Сторчак, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией новых элементов наноэлектроники Курчатовского института.
Идея создания субмонослойных магнитов — толщиной в один атом, но значительно более разреженных, чем в случае монослоя, — появилась в процессе работы, в которой удалось синтезировать магнитный графен. Как известно, графен проявляет ряд уникальных свойств, в частности электрических и механических. Однако он немагнитен, что ограничивает возможности его применения в спинтронике. Интегрировав углеродную решетку графена с атомами редкоземельного элемента европия, физикам из Курчатовского института (Москва) удалось внедрить в систему магнитные свойства. Наблюдение аномального эффекта Холла при высокой подвижности носителей позволило сделать вывод о возникновении спин-поляризованных электронов.
Изучив магнитный графен в Европейском центре синхротронных исследований (ESRF, Гренобль) совместно с французскими коллегами, физики определили магнитную структуру монослойной системы. В этом материале на шесть атомов углерода графена приходится лишь один атом европия. Это позволило исследователям предположить, что можно создать двумерные магниты с низкой поверхностной плотностью магнитных атомов. Идею удалось воплотить для кремния, базового материала современной электроники. Сотрудники Курчатовского института синтезировали структуры европия на очищенной поверхности кремния, используя методы молекулярно-лучевой эпитаксии. Полученные субмонослойные структуры проявляют магнитные свойства, сходные со свойствами магнитного графена. Двумерная природа ферромагнетизма в субмонослойных системах, интегрированных с кремниевой платформой, позволяет контролировать магнитные свойства системы малыми магнитными полями.
«Мы получили упорядоченные сверхструктуры нового класса двумерных магнитных материалов. Этот класс магнитов может лечь в основу прорывных технологий хранения и передачи информации. Мы надеемся, что спинтроника на базе двумерных магнитов приведет к созданию принципиально новых, ультракомпактных транзисторов, а также элементов компьютерной памяти. В наших планах расширить класс субмонослойных магнитов путем использования различных магнитных атомов и полупроводниковых платформ. Нам представляется, что спинтроника на базе двумерных магнитов может оказаться весьма перспективной», — подводит итог Вячеслав Сторчак.