MIPT物理学家调旋转二极管

在MIPT的一组物理学家已经提出了一个新的自旋二极管设计,设备摆放两种反铁磁材料之间的。通过调整反铁磁轴的方向,可以改变二极管的电阻和谐振频率。此外,这种方法使频率范围内,该装置能将交流电整流。同时,自旋二极管的灵敏度与半导体类似物的灵敏度相当。这篇论文发表在《物理评论》B上。

“传统的自旋二极管与游离铁磁层只在预定的频率不超过2-4千兆赫,“对节能信息技术在MIPT磁性异质结物理和电子学实验室的高级研究员Konstantin Zvezdin。

本文提出了铁磁层反铁磁层二极管。这使设备在接近10兆赫操作,在不牺牲灵敏度在任何有意义的方式。作为一个结果,我们扩大了自旋器件可能的应用范围包括全天候的机器视觉基于微波全息,其中说:“研究人员还带领一个项目集中在俄罗斯的量子自旋电子学中心。

旋转二极管

常见的电子设备,如二极管、晶体管、运算放大器等。换句话说,它们的运作依赖于带电粒子的流动——电子和空穴。在一个半导体二极管,例如,有一个区域称为P-N结在一个大的电子浓度达到一个大孔浓度的材料。结果,电流只能沿一个方向穿过结。正因为如此,二极管可以用来制造整流器——也就是说,一种把交流电(交流电)变成直流电的装置(DC)。

电子不仅携带电荷,还具有另一个重要性质自旋,它是经典物理学中旋转体角动量的量子力学模拟。通常,电流中电子的自旋是随机取向的。然而,有可能使它们对齐,产生一种称为自旋流的奇特现象。自旋电子学是自旋电流的研究。现在,科学家们发现了如何制造自旋电子纳米发电机,微波辐射探测器,和磁场传感器,超越他们的电子模拟。

像一个半导体二极管,它的自旋-自旋对应二极管作为整流。它是通过将一层介电材料两薄铁磁体之间。这种装置的操作是基于隧道磁阻和自旋转移力矩的作用。其基本思想是:当电流流经第一铁磁层时,电子的自旋与其磁化相一致,从而产生自旋电流。然后电子穿过介质材料进入第二铁磁层。根据这层磁化的角度和电子的自旋,它可能更容易或更难通过它们。因此,器件的电阻是磁层相互取向的函数(第一效应)。同时,电子试图转换第二层,使它们更容易通过(第二效果)。因此,当交流电流流过二极管,内部的层和它的电阻随电流、纠正。

这使得有可能制造一个灵敏度超过每瓦100000伏的自旋二极管,而传统的肖特基二极管最大值为3800。灵敏度定义为输出直流电压与外加交流功率之比。它表明装置能很好地矫正电流。自旋二极管的一个缺陷是它们的灵敏度强烈地依赖于交流频率,在一定的共振附近尖峰,并且在其他地方迅速衰减到几乎零。还应该指出,所有以前生产的自旋二极管谐振频率不超过2兆赫。然而,有些应用,如微波全息,要求二极管在更高的频率下工作;

扔在良好的措施两反铁磁体?

在他们的论文中,物理学家们描述了一种基于MIPT实现预设的二极管的谐振频率,同时提高其工作频率的制造过程。为了实现这一点,它们在两个反铁磁层之间粘贴铁磁“三明治”结构(见图1b)。因此,在反铁磁体的磁体成为在所谓的钉扎,使铁磁体磁化方向之间的角度(图1A,底部)被控制。这使研究人员能够调整设备的电阻和谐振频率。为了验证所提出的设计是否可行,科学家们用数值模拟了一层厚度为几纳米的自旋二极管,并研究了它的性质。

MIPT物理学家调旋转二极管  

图1。旋转二极管设计:φ表示两反铁磁体的轴线之间的夹角,画粉红色,和θ是两铁磁层的磁化方向之间的角度,图中蓝色。来自:Alexey Khudorozhkov等人/物理评论B

下面是铁磁和反铁磁材料的基础知识。在这两种情况下,原子的自旋表现出长程有序,即结构本身重复。铁磁体中,所有原子的自旋平行排列的具有一定的轴,而在反铁磁体的他们自己定位垂直于轴线。为了使这张图片更逼真,你还得考虑热涨落对自旋方向的影响。一旦达到一定温度,自旋方向是完全随机的热波动,破坏了长程有序转为顺磁性材料。对于铁磁材料,这个临界温度称为居里点。对于反铁磁材料,这就是所谓的温度。现实世界材料的另一个特点是,它们的旋转只表现在宏观区域,而不是整个材料;

模特儿展示了什么?

第一小组研究的角度θ铁磁层磁化取决于角φ的反铁磁体的轴线之间(图1A,顶部)。后者,也被称为反铁磁钉扎角,可以控制在二极管的制造过程中。如图2所示,这些角度是相关的,但不是相同的。原来,在磁化的角度只能是110度和170度之间变化。此外,在110到140度之间的依赖关系是非线性的。然而,这种回旋余地足以控制二极管的性能。

MIPT物理学家调旋转二极管

图2。铁磁层的磁化的角度φ反铁磁体的轴线之间的夹角θ依赖。来自:Alexey Khudorozhkov等人/物理评论B

研究人员继续研究二极管灵敏度交流频率的依赖,固定层间磁化的角度。他们发现,在谐振频率附近,器件的灵敏度急剧增加(图3),达到每瓦约1000伏特。这个值低于以前制造的自旋二极管的最大灵敏度,但它与传统半导体二极管相同的优点。

重要的是,新的二极管谐振频率可调范围从8.5到9.5 GHz的控制角φ当设备制造。也就是说,研究人员只从理论上研究了他们提出的设计。下一步是创建一个实验样本,并用它来测试他们的预测。

MIPT物理学家调旋转二极管

图3。二极管灵敏度对各种价值观角度φ交流电的频率依赖性。主图对应于临界强度的99%的直流强度。在插图中,直流强度为零。来自:Alexey Khudorozhkov等人/物理评论B

在早期的研究中,物理学家们兴奋的磁旋涡MIPT基于铁磁材料和拓扑绝缘体的自旋电子器件。后者是一种特殊的材料,在表面上起着导体的作用,但又是绝缘体。

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