Гигантский магнитооптический эффект Керра в альтермагнитном изоляторе: прорыв для спинтроники

Альтермагнитный изолятор оксид марганца-теллура (MnTe) продемонстрировал неожиданно сильный магнитооптический эффект Керра, который может ускорить создание сверхбыстрой и энергоэффективной памяти. Международная группа исследователей из Чехии и Германии обнаружила, что угол поворота плоскости поляризации света в этом материале на порядок превышает теоретические предсказания. Результаты, опубликованные в журнале Physical Review Letters, открывают новые возможности для альтермагнитной спинтроники — области, обещающей революцию в устройствах хранения и обработки информации.

Альтермагнитный изолятор показал гигантский магнитооптический эффект Керра

Команда под руководством Томаша Опатны из Палацкого университета в Оломоуце и Института физики Академии наук Чехии изучала тонкие пленки альтермагнитного изолятора — оксида марганца-теллура (MnTe). При комнатной температуре они измерили магнитооптический эффект Керра, который оказался на порядок больше, чем предсказывали теоретические модели. Эффект наблюдался в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, что делает материал перспективным для практического применения.

Предыстория и контекст

Альтермагнетизм — относительно новое понятие в физике, введенное в 2019 году. Альтермагнетики сочетают свойства ферромагнетиков (наличие намагниченности) и антиферромагнетиков (отсутствие чистой намагниченности). В них магнитные моменты атомов расположены антипараллельно, но из-за неэквивалентности кристаллографических позиций возникает спиновая поляризация электронных зон. Это делает их привлекательными для спинтроники: они устойчивы к внешним магнитным полям, но при этом позволяют управлять спинами электронов. Однако до сих пор альтермагнитные эффекты в основном изучались в металлах, а изоляторы оставались малоисследованными.

Почему эффект Керра важен для альтермагнетиков?

Магнитооптический эффект Керра — это изменение поляризации света при отражении от намагниченного материала. Он широко используется для считывания данных в магнитных носителях, например, в магнитооптических дисках. Обнаружение гигантского эффекта Керра в альтермагнитном изоляторе означает, что такие материалы можно легко интегрировать в оптические устройства считывания, что упрощает создание альтермагнитной памяти. Кроме того, эффект оказался сильным при комнатной температуре, что критически важно для коммерческих приложений.

Технические подробности и механизм эффекта

Исследователи вырастили эпитаксиальные пленки MnTe толщиной от 10 до 100 нм на подложках из сапфира. Используя спектроскопию эффекта Керра, они измерили угол поворота плоскости поляризации до 0,1 градуса при магнитном поле 0,5 Тл. Это сравнимо с типичными значениями для ферромагнитных металлов, таких как железо или кобальт. Теоретический анализ показал, что такой сильный отклик связан с особенностями электронной структуры альтермагнетика: в изоляторах запрещенная зона усиливает резонансные переходы между спиновыми подзонами, что и приводит к гигантскому эффекту.

Кого затронет и как

Открытие важно для разработчиков спинтроники и магнитной памяти. Альтермагнитные изоляторы могут стать основой для энергонезависимой памяти нового поколения, устойчивой к внешним магнитным полям и радиации. Это особенно актуально для космической и военной техники, а также для устройств Интернета вещей, где требуется низкое энергопотребление. В России исследования альтермагнетиков ведутся, например, в Институте физики металлов УрО РАН, но до практических применений пока далеко.

Что будет дальше

Команда Опатны планирует изучить другие альтермагнитные изоляторы, такие как NiF2 и CoF2, а также оптимизировать структуру MnTe для усиления эффекта. В перспективе возможно создание прототипа альтермагнитной памяти на основе магнитооптического считывания. Однако до коммерциализации потребуется решить вопросы масштабирования и совместимости с существующей полупроводниковой технологией.

Итог

Обнаружение гигантского магнитооптического эффекта Керра в альтермагнитном изоляторе открывает новый путь к созданию высокоскоростной и энергоэффективной памяти. Это значительный шаг в развитии альтермагнитной спинтроники, который может привести к практическим устройствам уже в ближайшие годы.