Физики научились электричеством полностью выключать и снова включать сигнал, по которому можно считывать направление намагниченности внутри тонкого магнитного материала. В оксидной структуре напряжение +1,4 В подавляло сигнал, а −1,0 В возвращало его почти к исходному уровню. Сам ферромагнетизм при переключении почти не менялся, поэтому исследователи фактически получили электрическую кнопку для управления способом чтения магнитного состояния.
В основе эксперимента лежит эффект Холла: электрические заряды в материале отклоняются в сторону, и между краями возникает поперечное напряжение. В магнитных материалах похожий отклик может появляться без обычной геометрии внешнего магнитного поля. Авторы работали с его сравнительно новым вариантом, при котором электрический сигнал позволяет отслеживать намагниченность, лежащую прямо в плоскости тонкой плёнки.
Для эксперимента физики собрали трёхслойную структуру CaRuO3/La2/3Ca1/3MnO3/CaRuO3. Соседние слои слегка меняют кристаллическую решётку магнитного La2/3Ca1/3MnO3 и нарушают её зеркальную симметрию. Благодаря перестройке материал создаёт хорошо различимый поперечный электрический сигнал при развороте намагниченности внутри плоскости.
Затем исследователи добавили затвор с ионной жидкостью и начали менять напряжение. До 1,0 В отклик почти не менялся, после 1,1 В быстро ослабевал, а при 1,4 В исчезал полностью. Все холловские измерения авторы проводили при 10 К. Результаты работы показывают, что величину сигнала можно плавно регулировать, а крайние состояния использовать как условные ON и OFF.
Авторы объясняют переключение проникновением протонов в слои CaRuO3. Положительное напряжение запускает процесс в ионной жидкости, после чего протоны входят в кристаллическую решётку и немного меняют положение атомов кислорода. Кислородные октаэдры поворачиваются слабее, соседний магнитный слой тоже перестраивается, и нарушение зеркальной симметрии уменьшается. Когда симметрия приближается к исходной, плоскостной аномальный эффект Холла пропадает.
При этом магнитный порядок не исчезал вместе с электрическим откликом. Коэрцитивное поле, то есть поле, необходимое для разворота намагниченности, почти не менялось. Поэтому напряжение не выключало ферромагнетизм как физическое свойство материала, а меняло механизм, который превращает магнитное состояние в измеримый электрический сигнал.
Переключение удалось обратить. После +1,4 В сигнал исчезал, а при −1,0 В возвращался примерно к первоначальной величине. Авторы рассматривают этот принцип как возможную основу для программируемых элементов спинтроники, где магнитное состояние можно считывать и перенастраивать электрически без отдельного механического или магнитного переключателя.
До обычной электроники технология пока не дошла. Эксперимент требовал температуры 10 К и специально выращенной многослойной структуры. Следующая задача состоит в том, чтобы добиться столь же надёжного управления в материалах, способных работать при гораздо более высоких температурах.
