Sähköisesti ohjattu indusoitu magnetismi kaksiulotteisessa puolijohteessa

Puolijohteisen toiminnallisuuden yhdistäminen ohjattavan magnetismin kanssa on spintroniikan pitkäaikainen tavoite.

Perinteinen elektroniikka manipuloi elektronien varausta, kun taas spintroniikka pyrkii lisäksi käyttämään niiden spiniä informaation tallentamiseen ja käsittelyyn, mikä voi mahdollistaa uusia vähän virtaa kuluttavan logiikan ja muistin muotoja.

Keskeisenä haasteena on kuitenkin löytää materiaaleja, jotka yhdistävät vankan magneettisen järjestyksen puolijohteen sähköiseen viritettävyyteen.

Singaporen kansallisen yliopiston apulaisprofessori Ahmet Avsarin johtama ryhmä on nyt osoittanut ilmanalassa stabiilin kaksiulotteisen puolijohteen, johon magnetismia voidaan lisätä laimealla atomidopingilla ja jota voidaan myöhemmin säätää sähkökentän avulla.

Tohtoriopiskelija Qi Zhangin johtama työ julkaistiin Science Advances -lehdessä otsikolla "Indusoidun magnetismin sähköinen hallinta ilmassa vakaassa kaksiulotteisessa puolijohteessa".

Tutkimus alkaa PtSe2:sta, ilmassa vakaasta 2D-materiaalista, joka muuttuu metallisesta puolijohtavaksi, kun sen paksuutta pienennetään alle kuuden kerroksen. Pieni pitoisuus Fe-atomeja (~1 %) lisää magnetismia säilyttäen samalla materiaalin paksuudesta riippuvan elektronisen käyttäytymisen.

”Tämän järjestelmän tekee erityisen mielenkiintoiseksi se, että aloitamme ilmassa vakaasta, ei-magneettisesta puolijohteesta, lisäämme siihen magnetismin ja sitten ohjaamme tätä magnetismia sähköisesti”, sanoo apulaisprofessori Avsar. ”Tämä yhdistelmä on juuri sitä, mitä olemme etsineet laimeissa magneettisissa puolijohteissa.”

Laskelmat osoittavat, että tämä kehitys on peräisin kilpailevista magneettisista vuorovaikutuksista. Korkeilla varauksenkuljettajien pitoisuuksilla varauksenkuljettajien välittämät RKKY-vuorovaikutukset suosivat ferromagnetismia. Kun varauksenkuljettajien pitoisuus pienenee puolijohtavassa tilassa, supervaihdosta tulee yhä tärkeämpää ja se vakauttaa antiferromagneettista järjestystä.

Tärkeintä on, että 2D-puolijohtavassa tilassa magnetismi muuttuu sähköisesti viritettäväksi. Hilajännitteen käyttäminen muuttaa varauksenkuljettajien pitoisuutta ja muokkaa voimakkaasti antiferromagneettista järjestystä. Puolijohtavissa laimennetussa magneettisessa hystereesissä voidaan käyttää sähköistä kytkentää ON ja OFF, mikä osoittaa hilaviritettävän 2D-laimennetun magneettisen puolijohteen olemassaolon.

Aiheesta aiemmin:

Skyrmion voisi vapauttaa supertietokoneiden muistia

Valon aiheuttama ei-vastavuoroinen magnetismi

Spintroniikkaa ja muistitekniikkaa