Un equipo de físicos de MIPT ha ofrecido un nuevo diseño de diodo de giro, colocando el dispositivo entre dos tipos de materiales antiferromagnéticos. Ajustando la orientación de sus ejes antiferromagnéticos, es posible cambiar la resistencia y la frecuencia de resonancia del diodo. Además, este enfoque triplica el rango de frecuencias en las que el dispositivo puede rectificar la corriente alterna. Al mismo tiempo, la sensibilidad del diodo de espín es comparable a la de sus semiconductores análogos. El artículo fue publicado en Revisión física B .

"Los diodos de espín convencionales con capas ferromagnéticas libres solo operan en frecuencias predeterminadas que no exceden de dos a cuatro gigahercios, "explica el investigador principal Konstantin Zvezdin del Laboratorio de Física de Heteroestructuras Magnéticas y Espintrónica para Tecnologías de la Información de Eficiencia Energética en MIPT.

"En este papel, proponemos un diodo con capas ferromagnéticas fijadas por capas antiferromagnéticas. Esto permite que el dispositivo funcione a casi 10 gigahercios, sin sacrificar su sensibilidad de forma significativa. Como resultado, ampliamos la gama de posibles aplicaciones de los diodos de giro para incluir cosas como la visión artificial para todo clima basada en la holografía de microondas, entre otros, "dice el investigador que también lidera un proyecto centrado en la espintrónica en el Russian Quantum Center.

Dispositivos electrónicos como diodos, transistores, amplificadores operacionales, etc. manipular corrientes eléctricas. En otras palabras, su funcionamiento se basa en el flujo de partículas cargadas:electrones y huecos. En un diodo semiconductor, por ejemplo, Existe una región llamada unión p-n donde un material con una gran concentración de electrones se encuentra con el material con una gran concentración de huecos. Como resultado, la corriente eléctrica solo puede pasar a través de la unión en una dirección. Debido a esto, Los diodos se pueden usar para construir un rectificador, es decir, un dispositivo que convierte la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC).

Además de cobrar, los electrones tienen otra propiedad importante, girar, que es un análogo de la mecánica cuántica del momento angular de un cuerpo en rotación en la física clásica. Ordinariamente, los espines de los electrones en una corriente eléctrica están orientados aleatoriamente. Sin embargo, es posible alinearlos, resultando en un fenómeno peculiar conocido como corriente de espín. La espintrónica es el estudio de las corrientes de espín. Por ahora, Los científicos han descubierto cómo fabricar nanogeneradores espintrónicos, detectores de radiación de microondas, y sensores de campo magnético que superan a sus análogos electrónicos.

Como un diodo semiconductor, el diodo de giro funciona como rectificador. Se fabrica insertando una capa de material dieléctrico entre dos ferroimanes delgados. La operación se basa en efectos denominados magnetorresistencia de túnel y par de transferencia de giro. Cuando una corriente fluye a través de la primera capa ferromagnética, los espines de los electrones se alinean con su magnetización, resultando en una corriente de espín. Los electrones luego hacen un túnel a través del material dieléctrico y corren hacia la segunda capa ferromagnética. Dependiendo del ángulo entre la magnetización de esta capa y los espines de los electrones, puede ser más fácil o más difícil para ellos pasar. Por lo tanto, la resistencia del dispositivo es función de la orientación mutua de las capas magnéticas (primer efecto). Al mismo tiempo, los electrones intentan girar la segunda capa para facilitar su paso (segundo efecto). Por lo tanto, cuando una CA fluye a través del diodo, la magnetización de sus capas, y con ella, la resistencia:oscila con la corriente, rectificándolo.

Esto hace posible fabricar diodos de giro con una sensibilidad de más de 100, 000 voltios por vatio, mientras que los diodos Schottky convencionales tienen un máximo de 3, 800. La sensibilidad se define como la relación entre el voltaje CC de salida y la potencia CA aplicada. Es indicativo de qué tan bien el dispositivo puede rectificar una corriente eléctrica. Uno de los defectos de los diodos de giro es que su sensibilidad depende en gran medida de la frecuencia de CA, aumentando cerca de cierta resonancia y desapareciendo rápidamente a casi cero en otros lugares. También debe tenerse en cuenta que las frecuencias de resonancia de todos los diodos de giro fabricados anteriormente no superan los 2 gigahercios. Sin embargo, algunas aplicaciones, entre ellos la holografía de microondas, requieren diodos que funcionen a frecuencias más altas.

En su papel Los físicos basados ​​en MIPT describen una forma de preajustar la frecuencia de resonancia del diodo durante la fabricación y, al mismo tiempo, aumentar su frecuencia de funcionamiento. Lograr esto, pegan la estructura ferromagnética en "sándwich" entre dos capas antiferromagnéticas (ver fig. 1b). Como resultado, los ferromagnetos se fijan a antiferromagnetos en lo que se conoce como fijación de intercambio, permitiendo el ángulo entre las magnetizaciones de los ferroimanes (fig. 1a, abajo) para ser controlado. Esto permite a los investigadores sintonizar la resistencia y la frecuencia de resonancia del dispositivo. Para probar si el diseño propuesto es factible, los científicos modelaron numéricamente un diodo de espín con capas de varios nanómetros de espesor y estudiaron sus propiedades.

En materiales ferromagnéticos y antiferromagnéticos, los espines de los átomos exhiben un orden de largo alcance, es decir, la estructura se repite. En un ferromagnet, los espines de todos los átomos están alineados en paralelo con un cierto eje, mientras que en los antiferromagnetos se orientan perpendicularmente al eje. Para hacer esta imagen más realista, también tendría que tener en cuenta el efecto de las fluctuaciones térmicas en las orientaciones de giro. Una vez que se alcanza una cierta temperatura, las orientaciones de giro son completamente aleatorias por las fluctuaciones térmicas, arruinando el orden de largo alcance y convirtiendo el material en un paramagnet. Para materiales ferromagnéticos, esta temperatura crítica se llama punto de Curie. Para materiales antiferromagnéticos, se conoce como la temperatura de Néel. Otra característica de los materiales del mundo real es que los giros en ellos solo exhiben alineación sobre regiones macroscópicas conocidas como dominios, no en todo el material.

Lo que mostró el modelo

Primero, el equipo investigó cómo el ángulo θ entre las magnetizaciones de las capas ferromagnéticas depende del ángulo φ entre los ejes de los antiferromagnetos (fig. 1a, cima). El último, también conocido como ángulo de fijación antiferromagnético, se puede controlar durante la fabricación del diodo. Como se ve en la figura 2, estos ángulos están relacionados pero no son iguales. Resultó que el ángulo entre las magnetizaciones solo se puede variar entre 110 y 170 grados. Es más, la dependencia es no lineal para el intervalo de 110 a 140 grados. Sin embargo, este margen es suficiente para controlar las propiedades del diodo.

Los investigadores pasaron a examinar la dependencia de la sensibilidad del diodo en la frecuencia de CA, fijando el ángulo entre las magnetizaciones de las capas. Encontraron que cerca de la frecuencia resonante, la sensibilidad del dispositivo aumenta drásticamente (fig.3), alcanzando alrededor de 1, 000 voltios por vatio. Este valor es menor que la sensibilidad máxima de los diodos de giro fabricados previamente, sin embargo, es comparable a la misma figura de mérito de los diodos semiconductores convencionales.

En tono rimbombante, la frecuencia de resonancia del nuevo diodo se puede sintonizar en el rango de 8,5 a 9,5 gigahercios controlando el ángulo φ cuando se fabrica el dispositivo. Dicho eso los investigadores solo han estudiado teóricamente el diseño propuesto. El siguiente paso sería crear una muestra experimental y usarla para probar sus predicciones.

En un estudio anterior, Los físicos de MIPT excitaron vórtices magnéticos en dispositivos espintrónicos basados ​​en un material ferromagnético y un aislante topológico. Este último es un material peculiar que actúa como conductor en la superficie pero por lo demás es un aislante.