Спиновые сенсоры без нанофабрик: физики нашли короткий путь к компактной электронике будущего

Исследователи из Китая и Тайваня нашли способ создавать спиновые клапаны — важнейшие элементы в магнитных сенсорах — без сложных и дорогих технологий, используя необычный квантовый материал с решёткой Кагоме. Это открытие может существенно упростить производство спинтронных устройств и сделать их дешевле и энергоэффективнее.

Обычно спиновые клапаны — это многослойные конструкции из чередующихся магнитных и немагнитных материалов. Их задача — контролировать прохождение электронов в зависимости от направления спина, то есть внутреннего «вращения» частиц. За счёт этого устройства могут резко менять своё электрическое сопротивление, что используется, например, в жёстких дисках и сенсорах.

Но создание таких структур требует высокой точности: нужны идеально ровные поверхности на атомном уровне, методы напыления или тонкая ручная сборка из отдельных слоёв. Всё это дорого, сложно и плохо масштабируется. Команда под руководством профессора Цюй Чжэ из Хэфэйского института физических наук предложила обойтись без всего этого, используя магнитный материал с необычной структурой — TmMn₆Sn₆. Он относится к так называемым кагоме-гелимагнетикам: это особые кристаллы, где атомы образуют узор, похожий на японскую плетёную корзину (отсюда и название "кагоме").

Учёные обнаружили , что если на такой материал подать внешнее магнитное поле, в нём возникает состояние с параллельными магнитными доменами — областями, где спины ориентированы одинаково. Это состояние имитирует поведение традиционного спинового клапана, но без необходимости создавать многослойную структуру.

В прототипе устройства, сделанном из этого материала, исследователи зафиксировали гигантское магнитосопротивление — более 160%. Это означает, что сопротивление менялось в зависимости от магнитного состояния доменов, а значит, материал действительно работает как спиновый клапан. Дополнительные измерения показали, что эффект возникает за счёт рассеяния электронов на границах между доменами.

Теоретический анализ подтвердил, что такой способ позволяет точно управлять эффектом, а значит, открывает перспективы для создания нового поколения спинтронных устройств — более простых, устойчивых и энергоэффективных. Работа опубликована в журнале Nature Communications.