Новости города БезФормата.Ru
Долгопрудный
Главные новости
 
Задать вопрос?

Физики предсказали неметаллическую полуметалличность


Исследователи из МФТИ и ИТПЭ РАН вместе с коллегой из Японии (Институт физико-химических исследований RIKEN) теоретически обосновали существование нового класса материалов. Описанные в статье для журнала Physical Review Letters системы предложено назвать спин-долинными полуметаллами (англ.  spin-valley half-metals ), и они могут найти применение во вживляемой электронике вкупе с устройствами на основе графена, нанотрубок и других перспективных материалов.


Предложенный микроскопический механизм существенно отличается от ранее известной и основанной на сильном межэлектронном взаимодействии модели полуметаллов. Это позволяет надеяться на получение по-настоящему «неметаллических» полуметаллов без атомов переходных металлов вроде никеля, марганца или лантана. Такие полуметаллы пригодились бы во вживляемых устройствах и системах на основе перспективных углеродных материалов; сами исследователи используют термин «спин-долинная электроника» для одной из возможных альтернатив традиционной электронике.


За прошедшее с момента появления первых радиоламп время электроника подошла к пределу своих возможностей. Увеличивать дальше число транзисторов на чипах или повышать тактовую частоту микропроцессоров затруднительно, и сегодня учёные рассматривают иные подходы вроде спинтроники, опирающейся на наличие у электрона спина. Спинтроника уже используется на практике: например, эффект гигантского магнитосопротивления позволил ещё на рубеже XXI столетия резко повысить ёмкость жёстких дисков за счёт применения более чувствительных датчиков магнитного поля для считывания информации.


Над созданием новых спинтронных устройств учёные активно работают по всему миру. Один из перспективных типов материалов для спинтроники — так называемые полуметаллы (в англоязычной литературе — half-metals ), предсказанные физиками при помощи компьютерного моделирования, а потом обнаруженные экспериментальным путём. В отличие от металла, полуметалл проводит ток только электронами с заданным спином: например, со спином вверх, а электроны со спином вниз имеют слишком большую энергию и в переносе заряда принять участия не могут. Благодаря этому электрический ток через полуметалл автоматически переносит спин, то есть является ещё и спиновым током.

Рисунок: Спин, собственный момент импульса элементарных частиц, у электрона всегда равен ½ (половине постоянной Планка) и может быть направлен вверх или вниз.


В спин-долинной электронике предлагается контролировать не только переносимый током спин, но и так называемый долинный индекс. Термин «долина» взят из физики полупроводников. В твёрдых телах энергия возбуждения электронных состояний математически выражается как функция E(k,n) . Здесь k обозначает импульс электрона, а n — индекс зоны, то есть дискретную квантовую характеристику состояния электрона. Такая функция может иметь весьма причудливый вид, и если она имеет несколько минимумов со сравнимыми значениями энергии возбуждения, то говорят о наличии долин. Приближённо можно считать, что электроны, состояние которых соответствует одной из долин, не взаимодействуют с электронами, которые находятся в другой долине. Такой электронный коллектив может переносить не только спин и заряд, но и новую величину — долинный индекс .



Долинный индекс может быть использован для передачи информации с помощью «долинных» токов, по аналогии со спиновыми токами. Работы в этом направлении уже ведутся рядом исследовательских групп, так что речь в новой публикации идёт не просто о теоретической абстракции. Новизна заключается не в идее использовать долинный индекс, а в обосновании нового класса материалов, на основе которых возможно создать спин-долинную электронику.



Что нового?

Уже имеющиеся в распоряжении физиков полуметаллы содержат в своём составе атомы переходных металлов: никеля, марганца, лантана и др. Авторский коллектив, объединяющий учёных из России и Японии, предложил теоретический сценарий возникновения полуметалличности, не требующий атомов переходных металлов. Такое свойство может быть весьма удачным для ряда приложений вроде вживляемых устройств.


Получать «неметаллические полуметаллы» физики предлагают из особого класса токонепроводящих материалов, так называемых диэлектриков с волной зарядовой или спиновой плотности. Волнами зарядовой/спиновой плотности называют периодически расположенные в материале микроскопические участки с ненулевым средним зарядом/спином. Физики-теоретики описывают подобные системы как квантовый конденсат электрон-дырочных пар . Для получения такой пары нужны две долины, одна даст электроны, другая — дырки. Именно наличие двух долин в исходной системе даст возможность создать спин-долинный полуметалл.




Рисунок: На рисунке изображены зависимости энергии электронов и дырок от их импульса и спина. (Четыре чёрные кривые соответствуют двум проекциям спина электрона и двум проекциям спина дырки.) Жирная кривая соответствует электронным состояниям, способным поддерживать электрический ток (образующим поверхность Ферми). В зависимости от того, каковы взаимные направления спинов дырок (красные стрелки) и спинов электронов (синие стрелки) на поверхности Ферми, можно получить обычный полуметалл (с) или спин-долинный  (d).



«Дыркой» в полупроводниках называют квазичастицу, проявляющую себя как положительный заряд. Для того, чтобы материал с волной плотности стал полуметаллом, его необходимо подвергнуть специальной обработке, легировать. Легирование, или как ещё говорят, допирование, — это добавление электронов или дырок в исходный изолятор. Как поясняет один из авторов работы, сотрудник кафедры электродинамики сложных систем и нанофотоники МФТИ Александр Рожков , в основе допирования может лежать как воздействие на систему внешним электрическим полем, так и химические модификации поверхности или объёма: « Для конкретной системы можно подбирать легирующие атомы — азота, фосфора или иных элементов — так, чтобы они замещали атомы чистой системы, отдавая или принимая электроны проводимости, меняя свойства исходного материала».


Вопрос о допировании материалов с волнами плотности обсуждался давно: в новой публикации упоминаются и статьи, выпущенные ещё в 1970-е годы. В подобных системах обнаружены разнообразные фазы, в том числе и пространственно неоднородные (так называемое фазовое расслоение, а также состояния с доменными стенками, часто называемыми «страйпами»). И вот новая неожиданность — предсказание двух новых фаз, обычного и спин-долинного полуметалла.


Один из соавторов работы, старший научный сотрудник Института теоретической и прикладной электродинамики РАН Артём Сбойчаков , прокомментировал исследование следующим образом: «В каком-то смысле, наше открытие оказалось сюрпризом даже для нас самих. Физическая модель, в которой мы обнаружили наличие полуметаллической спин-долинной фазы , известна уже несколько десятилетий и является по сути классической. Это в сущности подтверждает знаменитый ленинский тезис о неисчерпаемости электрона наравне с атомом. Теперь дело за экспериментаторами. Веществ, которые хорошо описываются рассмотренной нами моделью, известно достаточно много. Поэтому я убеждён, что предсказанная нами фаза будет в конце концов обнаружена, либо в уже существующих соединениях, либо в материалах, которые будут синтезированы в будущем».


Сам факт публикации в одном из самых цитируемых физических журналов, Physical Review Letters, уже указывает на признание важности идеи физиков МФТИ, Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, а также японского Института физико-химических исследований RIKEN. Но кроме того, один из соавторов работы, главный научный сотрудник Института теоретической и прикладной электродинамики РАН Климент Кугель , замечает: «На недавней конференции в Москве я обсуждал эту идею с Санг-Вук Чеонгом (Sang-Wook Cheong), директором центра перспективных материалов Ратгерского университета (Rutgers University), США. Он известный физик-экспериментатор с совершенно рекордным индексом цитируемости; достаточно сказать, что у него имеется примерно сотня статей, на каждую из которых не менее сотни ссылок. Ему понравилась наша работа, и он сказал, что одно из его любимых увлечений — взять какое-нибудь предложение теоретиков и найти конкретный материал, где оно реализуется. Почти всегда ему это удавалось. Будем надеяться, что и нам в данном случае повезёт».
Жители Химок оказывают помощь пострадавшим при пожаре многоквартирного дома - Химские новостиВ Химках продолжают устранять последствия пожара, произошедшего в минувшую среду в жилом доме № 14, расположенном по проспекту Мира.
19.11.2017 Химские новости
В Павловском Посаде поймали сдававшего в металлолом крышки колодцев мужчину - РТВ-ПодмосковьеВ Павловском Посаде задержали молодого человека, заработавшего на сдаче крышек колодцев в металлолом.
19.11.2017 РТВ-Подмосковье
Стала известна повестка дня XII съезда Союза журналистов России - Люберецкая панорамаЛЮБЕРЦЫ. 18 ноября. INLUBERTSY.RU – Стала известна повестка XII съезда Союза журналистов России, сообщает Люберецкое информагентство со ссылкой на секретариат СЖР.
19.11.2017 Люберецкая панорама
Международный мужской день – 19 ноября - Красногорские вести Ежегодно 19 ноября в мире отмечается Международный мужской день. Впервые его отпраздновали в 1999 году жители Республики Тринидад и Тобаго – островного государства в южной части Карибского моря,
19.11.2017 Красногорские вести
Регистрация - Подольск.Ру7 апреля 1994 года был зарегистрирован домен .ru. Первым сайтом домена стал www.ru -  Russia on the Net.
19.11.2017 Подольск.Ру
Каратисты-юниоры из Дубны - OpenDubna.RuВ субботу 11 ноября команда каратистов городского клуба «Дубна» успешно выступила в открытом первенстве города Солнцево Московской области по кекусинкай каратэ.
19.11.2017 OpenDubna.Ru
Полицейские проконсультируют детей - OpenDubna.Ru20 ноября состоится Всероссийский День правовой помощи детям, приуроченный к Всемирному дню ребенка, провозглашенному ООН.
18.11.2017 OpenDubna.Ru
poltal12 - Chehovchanka-Info.RuЧтобы записаться к врачу в Чеховскую поликлинику, нужно взять электронный талон, это знают уже почти все.
18.11.2017 Chehovchanka-Info.Ru
Будущим школьникам рассказали, как самостоятельно передвигаться из дома на учебу и обратно - ТК КварцФото: ОГИБДД УМВД России по г.о. Подольск Будущие дошколята из детского сада № 39 пообщались с сотрудниками ГИБДД.
18.11.2017 ТК Кварц
Как стало известно редакции lubernet.ru, в городском округе Котельники около 16:00 произошло нападение гражданки одной стран ближней Азии на двух школьниц, которые находились на территории детской площадки,
18.11.2017 LuberNet.Ru
В Королеве собаки загрызли пенсионерку - E-vanteevka.RuПожилая женщина скончалась от укусов собак, возбуждено уголовное дело.
17.11.2017 E-vanteevka.Ru
В серьёзных ДТП пострадали водители и пассажир - КопейкаЗа период, с 10 по 17 ноября текущего года сотрудниками отдела ГИБДД УМВД России по Сергиево-Посадскому району зарегистрировано 66 ДТП с материальным ущербом, а также три происшествия в которых пострадали люди.
17.11.2017 Копейка
Подозреваемую в хранении и сбыте гашиша задержали в Дмитровском районе - Дмитровский вестник
Подозреваемую в хранении и сбыте гашиша задержали в Дмитровском районе
Сотрудники отдела по контролю за оборотом наркотиков возле одного из домов в селе Куликово в Дмитровском районе Подмосковья задержали 39-летнюю местную жительницу, подозреваемую в сбыте наркотических средств,
Дмитровский вестник
Самые крупные взрывы бытового газа в регионах России начиная с 2000 года - Орехово-Зуевская правда
Самые крупные взрывы бытового газа в регионах России начиная с 2000 года
В Ижевске 9 ноября из-за взрыва бытового газа обрушилась часть жилого девятиэтажного дома, о других аналогичных крупнейших случаях обрушения домов — в справке Коммерсантъ-Online Автор фотографии:
Орехово-Зуевская правда
Взрыв газа произошел на газораспределительной станции в Щурове - Коломенская правда
Взрыв газа произошел на газораспределительной станции в Щурове
Сегодня днем в микрорайоне Ларцевы Поляны произошел хлопок газовоздушной смеси в одноэтажном кирпичном здании газораспределительной станции.
Коломенская правда
DSC08623 - OdiNews.RuПоводом для сокращения расходов на культуру стал, как ни странно, портал для помощи жителям «Добродел».
19.11.2017 OdiNews.Ru
Концертные программы к Дню матери, эко-путешествия и многое другое - За новую жизньДетская библиотека-филиал МБУК ЦБС 22 ноября  в 14 часов, читальный зал — встреча работников библиотеки с обучающимися образовательных учреждений и презентация конкурса «Живая классика».
19.11.2017 За новую жизнь
«Юность» из Красногорска победила в международном танцевальном конкурсе - Красногорские вестиОбразцовый коллектив ансамбль танца «Юность» красногорского муниципального «Центра творчества» стал победителем I Московского международного конкурса русского танца им.
19.11.2017 Красногорские вести
Организм всегда должен находиться в боевой готовности - Люберецкая газета
Организм всегда должен находиться в боевой готовности
Зрительскую любовь Андрей Финягин завоевал давно. В кино он талантливо играет как порядочных людей и сердцеедов, так и редкостных негодяев и подлецов.
Люберецкая газета
Красота случается нечаянно… - Люберецкая газета
Красота случается нечаянно…
В Люберецкой центральной библиотеке имени Сергея Есенина на днях собрались друзья и самые преданные поклонники творчества ветерана радиожурналистики – Заслуженного работника культуры Российской Федерации,
Люберецкая газета
Дайджест мероприятий на выходные 18 и 19 ноября и последующую неделю в Звенигороде - Звенигородские ведомости
Дайджест мероприятий на выходные 18 и 19 ноября и последующую неделю в Звенигороде
Редакция «ЗВ» составила дайджест интересных событий, которые пройдут в Звенигороде в выходные дни выходные 18 и 19 ноября, а также на последующую рабочую неделю.
Звенигородские ведомости
Последняя домашняя игра года принесла три очка - ФК ХимкиСегодня вечером красно-черные завершили домашние матчи 2017 года победой над томской «Томью» со счетом 3:1.
18.11.2017 ФК Химки
Химки готовятся к FIFA – 2018 - Химские новостиВ Химках продолжается подготовка к предстоящему масштабному спортивному событию — чемпионату мира по футболу — 2018.
19.11.2017 Химские новости
Министерство ЖКХ МО оценило масштабы благоустройства в Химках - Химские новостиС рабочим визитом Химки посетил заместитель министра жилищно-коммунального хозяйства Московской области Алексей Беловодов.
19.11.2017 Химские новости
Начался Второй чемпионат по волейболу в Люберцах - Люберецкая панорама
Начался Второй чемпионат по волейболу в Люберцах
ЛЮБЕРЦЫ. 19 ноября. INLUBERTSY.RU - 18 ноября Спорткомитетом округа при поддержке Люберецкой администрации в лице Владимира Ружицкого,
Люберецкая панорама
Подмосковный спортсмен претендует на победу в конкурсе «Гордость России» - Химские новости
Подмосковный спортсмен претендует на победу в конкурсе «Гордость России»
Представитель спортивной школы «Химки» рапирист Дмитрий Жеребченко вошел в тройку номинантов конкурса «Гордость России».
Химские новости
В Нахабине прошел турнир округа Красногорск по каратэ - Красногорские вести
В Нахабине прошел турнир округа Красногорск по каратэ
В турнире зарегистрировались 155 спортсменов, но многие соревновались в нескольких дисциплинах, поэтому участников было больше – 344.
Красногорские вести
Губернатор Воробьев - Правительство Московской областиИсточник: Пресс-служба Губернатора Московской области, Александр Щемляев Губернатор Московской области Андрей Воробьев в воскресенье прилетает в Японию в рамках роуд-шоу,
19.11.2017 Правительство Московской области
3851d89500314647861348af51f2af6b - Ramns.Ru20 ноября в Ново-Харитоновской средней общеобразовательной школе №10 Раменского района пройдет пленарное заседание Ассоциации «Лидеры образования Подмосковья».
19.11.2017 Ramns.Ru
Воробьёв посетит мусоросжигательный завод в Японии - РТВ-ПодмосковьеГубернатор Московской области побывает на предприятии, занимающемся переработкой мусора в Японии.
19.11.2017 РТВ-Подмосковье
Стартовал Второй  чемпионат Люберецкого округа по волейболу - ИнфоЛюберцыИнфоЛюберцы – 19 ноя. 18 ноября Спорткомитетом округа при поддержке Люберецкой администрации в лице Владимира Ружицкого, а также руководства ДС «Триумф» был дан старт Второму чемпионату городского округа Люберцы по волейболу,
19.11.2017 ИнфоЛюберцы