В Беркли раскрыт секрет ферромагнетизма в перспективных материалах для спинтроники

Перспектива применения в спинтронных устройствах привлекла значительное внимание к магнитным полупроводникам (dilute magnetic semiconductors) — материалам, в которых полупроводник легирован небольшим количеством магнитных атомов, придающих ему ферромагнитные свойства.

В Национальной лаборатории им. Лоуренса, г. Беркли, достигнут важный прогресс в понимании источника ферромагнетизма в таких материалах. Разработанная там техника HARPES (Hard x-ray Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy) была применена для исследования прототипного магнитного полупроводника GaMnAs. При этом пучок жесткого рентгеновского излучения, падая на образец выбивал фотоэлектроны, кинетическая энергия и углы распространения которых давали информацию об объемной электронной структуре полупроводника.

Эксперименты показали, что искомый эффект вызывается совместным действием двух различных процессов, ранее предложенных теоретиками для его объяснения. Согласно модели «p-d обмена» за ферромагнетизм ответственны электроны из зоны валентности арсенида галлия, влияние которых распространяется на атомы марганца. Другая теория, «двойного обмена», размещает порождающие ферромагнетизм электроны в отдельной дефектной зоне, созданной легированием полупроводника марганцем. Такие электроны постоянно переходят между двумя атомами марганца минимизируя их энергию при параллельной ориентации магнитных осей.

В настоящее время арсенид галлия и марганца функционирует как магнитный полупроводник при температуре 170 °K. Понимание истинной природы связывания индивидуальных магнитных моментов атомов марганца имеет критическое значение для конструирования будущих материалов, способных проявлять те же свойства при комнатных температурах.