УДК 53

Важнейшие направления исследований физики конденсированного состояния

Ляо Юймяо – студент Тяньцзиньского технологического университета (г. Тяньцзинь, Китай)

Аннотация: Открытия новых явлений и свойств материалов, основанные на фундаментальных исследованиях в области физики конденсированного состояния (ФКС), часто реализуются в промышленных инновациях. Открытие  транзистора произвело революцию в полупроводниковой промышленности. Другим ярким примером (хотя и не такого масштаба, как полупроводниковая технология) является спинтроника. Также ФКС играет большую роль в создании энергоэффективных и экологически чистых технологий. Эта актуальность ФКС для других дисциплин подчеркивает статус этой области и значимость стоящих перед ней грандиозных задач.

Ключевые слова: физика конденсированного состояния, спинтроника, энергетика, инновации.

Открытия новых явлений и свойств материалов, основанные на фундаментальных исследованиях в области физики конденсированного состояния (ФКС), часто реализуются в промышленных инновациях. Открытие  транзистора произвело революцию в полупроводниковой промышленности. Другим ярким примером (хотя и не такого масштаба, как полупроводниковая технология) является спинтроника, где как заряд электрона, так и спин влияют на функциональные свойства электронных устройств и устройств хранения данных [1].

Спиновая природа переноса электронов лежит в основе современных технологий хранения магнитных данных, таких как компьютерные жесткие диски и магнитная память с произвольным доступом (МППД), и иллюстрирует прогресс, достигнутый благодаря усилиям Мотта в 1936 году по пониманию важности спина электрона в электропроводности переходных металлов и их сплавов [2]. Современная технология спинтроники использует магниторезистивное устройство, металлический спиновый клапан или магнитный туннельный переход, который состоит из двух ферромагнитных электродов, разделенных тонким разделительным слоем из немагнитного материала. Поток носителей через устройство определяется направлением их вращения относительно намагниченности электродов устройства, что приводит к гигантскому магнитосопротивлению (ГМС) [3], если прокладка металлическая, и туннельному магнитосопротивлению (ТМС) [4], если прокладка изолирующая. Открытие GMR было признано Нобелевской премией по физике 2007 года, присужденной Ферту и Грюнбергу за влияние ГМС на технологию, которая используется для считывания данных с жестких дисков.

Спинтроника превратилась в активную область исследований, включающую, например, поиск магниторазбавленных полупроводников с температурой Кюри выше комнатной, инжекцию спина в металлах и полупроводниках, спин-зависимые тепловые эффекты и управляемые током моменты переноса спина. Последнее особенно актуально для современных технологий, поскольку моменты передачи вращения могут использоваться для переключения направления намагничивания, обеспечивая, таким образом, продвинутый инструмент для записи информации в МППД. Спиновый эффект Холла, который был предсказан более 40 лет назад,, но экспериментально продемонстрирован лишь недавно [5], также может стать компонентом функциональных возможностей устройства. Управляемый спин-орбитальным взаимодействием, электрический ток индуцирует поперечный спиновый ток и приводит к появлению накопления спина на боковых поверхностях токонесущего образца. Спиновый ток, приводимый в действие спиновым эффектом Холла, открывает интересные возможности для переключения намагниченности ферромагнетика по крутящему моменту при комнатной температуре [6].

Возникающие явления в ФКС, вероятно, будут решающими в расширении или изменении формы Международной технологической карты для полупроводников, что могло бы помочь в поддержании закона Мура [7]. Уменьшение размеров КМОП-транзистора для обеспечения более высокой скорости и плотности упаковки приводит к увеличению утечки между источником и стоком и, следовательно, к увеличению рассеиваемой мощности. Решение этой проблемы требует новых материалов и подходов к эксплуатации устройства. Были предложены различные схемы, включающие управление напряжением намагничивания, графеновые полевые транзисторы, нелокальные спиновые клапаны, сегнетоэлектрические туннельные переходы и другие. Особое внимание уделяется энергонезависимой работе этих устройств, что вновь выдвигает на первый план ферромагнетизм и сегнетоэлектричество – давние важные области ФКС. Задачи огромны: заявленные цели – энергонезависимая память и логика с энергией переключения менее 10-2 ФДЖ, скоростью переключения 1 ГГц или выше и стабильностью при 1016 переключениях.

ФКС играет важную роль в удовлетворении энергетических потребностей современного общества. Доступная энергия, в основном из ископаемого топлива, способствовала технологическому и человеческому развитию. Однако углубляющийся энергетический кризис требует скоординированных усилий по использованию альтернативных ресурсов возобновляемой энергии для создания более энергоэффективных и экологически чистых технологий. Исследование новых материалов является необходимым условием для эффективного решения нынешних и будущих грандиозных задач в области производства, преобразования, хранения и эффективного использования энергии. Роль ФКС в решении этих задач трудно переоценить.

Одним из примеров являются усилия по разработке более дешевых и эффективных солнечных элементов – электрических устройств, преобразующих энергию света в электричество с помощью фотоэлектрического эффекта. Другой пример – твердотельное освещение, которое за последние годы добилось заметного прогресса. Существуют и другие технологии, связанные с энергетикой, в которые ФКС внесла и продолжает вносить значительный вклад. Среди них – разложение воды при помощи света, которое непосредственно преобразует солнечную энергию в водород посредством фотокатализа, и разработка термоэлектрических материалов, которые могут быть использованы для преобразования тепловой энергии в электрическую.

Очевидно, что приведенные выше примеры не являются исчерпывающими, но дают представление о широте исследований ФКС. Будущее за разработкой новых материалов для получения все большей функциональности и улучшенных эксплуатационных характеристик выглядит радужным. Что касается фундаментальных проблем, таких как адекватное описание сильно коррелированных электронных систем, то появился проблеск новых знаний, которые теперь подталкивают нас к гораздо лучшему пониманию не только самой ФКС, но и других дисциплин, таких как квантовая механика в целом. Более того, существуют аналогии между явлениями, происходящими в конденсированном веществе, такими как образование топологических дефектов или фазовые переходы, нарушающие симметрию, и процессами, присущими космологии ранней Вселенной. Эта актуальность ФКС для других дисциплин подчеркивает статус этой области и значимость стоящих перед ней грандиозных задач.

Список литературы

1. Tsymbal EY, Žutić I. (eds.). Handbook of Spin Transport and Magnetism. Boca Raton, FL: CRC press, 2011.
2. Mott NF. The resistance and thermoelectric properties of the transition metals.// Proc R Soc. 1936, 156:368-
3. Baibich MN, Broto JM, Fert A, Nguyen Van Dau F, Petroff F, Etienne P, et al. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices // Phys Rev Lett. 1988, 61:2472-5.
4. .Meservey R, Tedrow PM. Spin-polarized electron tunneling // Phys Rep. 1994, 238:173-243.
5. Wunderlich J, Kaestner B, Sinova J, and Jungwirth T. Experimental observation of the spin-hall effect in a two-dimensional spin-orbit coupled semiconductor system // Phys Rev Lett. 2005, 94:047204
6. Liu L, Pai, CF, Li Y, Tseng HW, Ralph DC, and Buhrman RA. Spin-torque switching with the giant spin hall effect of tantalum //Science, 2012, 336:555-8
7. Moore GE. Cramming more components onto integrated circuits.// Proc IEEE, 1998, 86:82-5.