Ученые разработали уникальную технологию синтеза наноразмерных пленок оксида европия — материала, на основе которого может быть создана новая концепция хранения и передачи информации. Специфические свойства синтезированных пленок позволили российским физикам создать магнитный графен путем интеграции с оксидом европия. Результаты работы сотрудников Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» и их коллег из Европейского центра синхротронного излучения (Франция) опубликованы в журналах Nanotechnology и ACS Applied Materials & Interfaces. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Оксид европия обладает уникальными свойствами: в объемном материале при переходе металл—изолятор его сопротивление меняется на 13 порядков, а близкая к 100% поляризация спинов (моментов импульса) электронов в ферромагнитном состоянии делает его одним из самых перспективных материалов спинтроники. В рамках новой работы исследователи смогли создать наноразмерные слои оксида европия (EuO) с рекордным для тонких пленок скачком сопротивления при переходе металл—изолятор. Синтезированные пленки затем легировали атомами гадолиния на уровне сотых долей процента, что позволило обнаружить ряд новых свойств материала, а также контролировать переход металл—изолятор.
«Управляемые переходы между металлическим и изолирующим состояниями материала обеспечивают новые функциональные возможности в наноэлектронике: в создании электронных переключателей и осцилляторов, мемристоров, сенсоров, оптических приборов, — рассказал один из авторов работы Вячеслав Сторчак из НИЦ «Курчатовский институт». — Существенной проблемой является влияние на переход сложного сочетания различных факторов. В работе исследован чистый случай — магнитополяронный материал, в котором переход металл—изолятор обусловлен только магнитной составляющей».
Переход из металлического состояния в изолирующее в оксиде европия связан с термической активацией магнитных поляронов. Магнитный полярон представляет собой электрон, локализованный на масштабе постоянной кристаллической решетки при сильном обменном взаимодействии с ближайшими магнитными ионами материала. В результате этого взаимодействия ионы на данном масштабе магнитно упорядочиваются. Образно можно сказать, что магнитный полярон состоит из локализованного электрона с окружающей его наноразмерной ферромагнитной «каплей» в «море» окружающего парамагнитного материала.
Используя разработанную методику, ученые смогли соединить оксид европия и монослой графена с атомарно резким интерфейсом. Графен немагнитен, то есть электроны проводимости в нем, в отличие от EuO, неполяризованы. Интеграция EuO с графеном позволила сделать углеродный материал магнитным до температур выше 200 кельвинов. Примечательно, что ферромагнитный переход в системе графен/EuO происходит при температуре в три раза выше ферромагнитного перехода в чистом EuO.
«Особенно перспективно с точки зрения приложений то, что полученные системы показывают рекордное для тонких пленок изменение проводимости в переходе металл—изолятор и колоссальное магнитосопротивление. Результаты исключительно важны для понимания физики магнитных поляронов в сильно коррелированных материалах и управления их свойствами, — добавляет Сторчак. — Создание спиновой поляризации электронов в графене позволит использовать этот уникальный материал в спинтронике».