Спиновая структура открывает путь к созданию новой цифровой памяти

Давно известно, что синтетические компаунды, которые показывают интересные переходные свойства, могут быть основой для создания новых устройств с немагнитной формой памяти. Последние открытия команды RIKEN SPring-8 Center проливают свет на сложные отношения между ориентацией спина электронов компаунда и их транспортными свойствами.

Феномен перехода металла в изолятор заключается в том, что металл при охлаждении ниже определенной температуры вдруг становится изолятором. В отличие от чистого изолятора, такого как кремний и германий, и чистого проводника, такого как золото и серебро, металлы с переходом являются по своей природе нестабильными и трудными для исследований. Однако в их нестабильности и заключается их сила: сложные материалы с переходом, такие как полупроводники, служат строительными блоками современных технологий во многих областях.

Объяснение физической основы переходов, одного из самых старых и наименее хорошо понимаемых явлений, в физике конденсированного состояния, могло бы пролить свет на широкий круг потенциально полезных материалов. Среди таких материалов - компаунд Cd₂Os₂O₇, впервые открытый более 30 лет назад, привлек недавно внимание исследователей. Он обладает интригующими свойствами – при охлаждении до -46°С он подвергается двум переходам: переходу металл-изолятор и магнитному, при котором все спины электронов упорядочиваются. Это делает материал магнитным, что может быть использовано для хранения данных.

Кристаллическая структура Cd₂Os₂O₇

Предыдущие попытки объяснить эту магнитную структуру, однако, осложнялись другим свойством материала: его склонностью поглощать нейтроны, что вносит искажения в картину рассеяния нейтронов, техники анализа магнетизма. Чтобы обойти эту проблему, исследователи использовали альтернативную технику, известную как резонансное рассеяние рентгеновских лучей синхротронного излучения. Полученные результаты показали, что Cd₂Os₂O₇ при -46°С структурно превращается в тетраэдальную сеть атомов осмия со спинами электронов в каждом тетраэдре, ориентированными в двух направлениях: все внутрь или все наружу. При структуре «все наружу» собственные магнитные моменты электронов компенсируют друг друга, и материал становится немагнитным.

"Все наружу" и "все внутрь" (немагнитные атомы Cd и О опущены)

Таким образом, Cd₂Os₂O₇ имеет все данные, чтобы служить новой средой для устройств памяти, чьи битовые состояния, в отличие от современной компьютерной памяти, не подвергаются влиянию окружающего магнитного поля. Результат также показывает, как спин электронов может влиять на их транспортные свойства, что, несомненно, получит широкое применение в физике конденсированного состояния.