Соединение урана, известное учёным с 1960-х годов, оказалось носителем необычной атомной структуры, способной существенно менять поведение электронов. Исследователи обнаружили в оксителлуриде урана (UOTe) хиральную сверхрешётку — повторяющийся узор атомных смещений с преимущественным направлением закручивания. Она связана с возникновением выраженных эффектов, важных для спинтроники и разработки новых электронных устройств. Результаты исследования опубликованы 7 октября в журнале Nature.
Атомная структура, скрытая от прежних методов исследования
Открытие сделала Мэнке Лю, доцент кафедры физики Техасского университета в Далласе, совместно с международной исследовательской группой. Кристаллы UOTe синтезировал Шэн Ран, доцент физики Вашингтонского университета в Сент-Луисе. Лю начала изучать материал, когда работала постдокторантом Гарвардской квантовой инициативы, ещё до перехода в Техасский университет в Далласе в 2025 году.
Для исследования учёные использовали просвечивающую электронную и сканирующую туннельную микроскопию. Эти методы позволили рассмотреть структуру кристалла с атомным разрешением и обнаружить ранее не описанную сверхрешётку.
Хиральность означает, что структура имеет преимущественное направление закручивания — левое или правое. В UOTe такая сверхструктура возникает из-за упорядоченных смещений атомов и меняет локальное окружение атомов, а вместе с ним — условия движения электронов в кристалле.
Как антиферромагнетик приобретает необычные электронные свойства
UOTe относится к коллинеарным антиферромагнетикам. В таких материалах соседние магнитные моменты ориентированы противоположно, поэтому их суммарная намагниченность обычно компенсируется. Ферромагнетики, напротив, характеризуются согласованной ориентацией магнитных моментов и общей намагниченностью.
В данном случае принципиально не просто сочетание магнитных характеристик. Исследователи показали, что хиральная сверхрешётка меняет электронную структуру антиферромагнетика, создавая условия для появления эффектов, которые отсутствуют в исходной структуре кристалла.
Сверхрешётка воздействует на волновые функции электронов и геометрию их квантовых состояний. В результате возникает значительная кривизна Берри — величина, описывающая геометрические свойства электронных состояний в импульсном пространстве. Её проявления исследователи зарегистрировали по нелинейному эффекту Холла.
Кроме того, вблизи температуры Нееля, при которой устанавливается антиферромагнитный порядок, учёные обнаружили большой аномальный угол Холла — около 0,14 при температуре 150 К. Измерения также показали, что в материале может возникать спин-поляризованный электрический ток. Это особенно важно для спинтроники, где информация передаётся и обрабатывается с использованием спина электрона, а не только его электрического заряда.
От фундаментального открытия к новым материалам для электроники
Антиферромагнетики рассматриваются как перспективная основа для магнитной памяти и спинтронных устройств. Их магнитное состояние, как правило, менее чувствительно к внешним магнитным полям, чем состояние обычных ферромагнетиков. Однако управление антиферромагнитным порядком и получение выраженных спин-зависимых электронных эффектов остаются сложными задачами.
Результаты исследования UOTe указывают на дополнительный путь решения этой проблемы: вместо того чтобы менять только химический состав материала или его базовую кристаллическую структуру, можно целенаправленно воздействовать на более крупные периодические атомные смещения. Такая инженерия структуры позволяет управлять электронными свойствами, включая спин-поляризацию токов и эффекты Холла.
Авторы также предложили критерии для поиска других соединений с подобными структурами. По их оценке, в базе данных неорганических кристаллических структур ICSD насчитывается около 500 соединений с близким структурным типом. Это потенциально расширяет круг материалов, пригодных для исследования хиральных сверхрешёток и связанных с ними квантовых эффектов.
При этом говорить о готовой памяти нового поколения пока рано. Работа демонстрирует фундаментальные электронные и магнитные эффекты, а не готовое устройство с доказанным преимуществом по скорости, энергопотреблению или надёжности. Следующий шаг — выяснить, насколько эффективно этими эффектами можно управлять в реальных компонентах и можно ли воспроизвести их в других материалах.
История UOTe показывает, что даже давно известное соединение может скрывать физические свойства, которые становятся доступными лишь благодаря новым методам исследования. Но достаточно ли обнаружить необычную атомную структуру, чтобы превратить фундаментальное открытие в технологию? Какие характеристики — управляемость, стабильность или совместимость с существующими процессами производства микроэлектроники — должны стать решающими при оценке потенциала таких материалов?
Источник: https://scitechdaily.com/forgotten-material-from-the-1960s-is-hiding-something-unexpected/Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
