Istraživači su spojili dva materijala debela tek nekoliko atomskih slojeva u strukturu čija se magnetska svojstva mogu mijenjati malim električnim naponom. U pokusima je uređaj radio na 292 kelvina, odnosno približno 19 Celzijevih stupnjeva, pa bi ovaj pristup mogao biti važan za buduće memorije, senzore i druge elektroničke sklopove.
Rad je objavljen u časopisu Science. Tim sa Sveučilišta Maryland i suradničkih institucija izradio je takozvanu van der Waalsovu heterostrukturu: dva različita dvodimenzionalna sloja postavljena su jedan na drugi, a njihove se osobine međusobno nadopunjuju.
Dva sloja s različitim ulogama
Donji sloj čini feromagnetski materijal Fe3GaTe2, dok je gornji sloj feroelektrični CuInP2S6. Feromagnet zadržava uređeni raspored magnetskih momenata, a feroelektrik ima trajnu električnu polarizaciju koju je moguće prebacivati vanjskim naponom.
Kada su istraživači ta dva sloja spojili u jednu cjelinu, električno polje više nije djelovalo samo na polarizaciju. Promijenilo je i način na koji se magnetski sloj opire promjeni magnetizacije. Napon je tako omogućio upravljanje magnetskim stanjem bez izravnog dovođenja magnetskog polja.
Slaganjem različitih dvodimenzionalnih slojeva istraživači mogu povezati svojstva koja je teško dobiti u jednom materijalu. Sličan pristup opisan je i u našem tekstu o Boseovu staklu, ali se u ovom radu električno i magnetsko ponašanje prvi put u ovakvoj strukturi izravno povezuje u isti uređaj.
Prebacivanje na sobnoj temperaturi
Heterostruktura je istodobno pokazala feromagnetski i feroelektrični poredak na 292 K. To je približno sobna temperatura, što je važan uvjet za praktičnu elektroniku. Mnogi slični materijali rade samo pri vrlo niskim temperaturama ili gube uređena svojstva čim se zagriju.
Primjenom malog napona tim je mogao prebacivati uređaj između dvaju magnetskih stanja s različitim koercitivnim poljem, odnosno različitom otpornošću na promjenu magnetizacije. Stanja su ostajala stabilna i nakon uklanjanja napona. Istraživači su uređaj prebacili više od 3000 puta bez očitih znakova zamora materijala.
Učinak je bio izraženiji u najtanjim slojevima Fe3GaTe2. Kako je magnetski sloj postajao deblji, električno upravljanje njegovim svojstvima slabilo je. To pokazuje da debljina i kvaliteta dodira između slojeva imaju ključnu ulogu u ponašanju cijele strukture.
Što bi to moglo donijeti elektronici
Autori smatraju da bi ovakav pristup mogao pomoći u razvoju memorije koja ne gubi podatke kada nestane napajanja, energetski učinkovitih spintroničkih sklopova, fotoničkih uređaja te osjetljivih električnih i magnetskih senzora. U takvim bi sustavima informacija bila zapisana u magnetskom stanju, a mijenjala bi se električnim signalom.
To ipak nije gotova tehnologija. Istraživači tek trebaju povećati jačinu međudjelovanja između električnog i magnetskog sloja, dodatno smanjiti napon potreban za prebacivanje i provjeriti trajnost kroz znatno veći broj ciklusa. Potrebno je i pokazati da se struktura može pouzdano izraditi na većoj površini, a ne samo u laboratorijskom uzorku.
Rezultat je važan jer pokazuje da se dvije osobine koje je teško stabilizirati u jednom dvodimenzionalnom materijalu mogu povezati slaganjem odvojenih slojeva. Takva fleksibilnost istraživačima ostavlja prostor za kombiniranje različitih materijala i razvoj uređaja kojima bi se magnetske funkcije kontrolirale jednostavnim električnim signalom.
Dvodimenzionalni materijali debeli su samo nekoliko atomskih slojeva, pa se u njima kvantna i električna svojstva mogu bitno razlikovati od ponašanja istog materijala u većem komadu. Istodobno, toplinsko gibanje na sobnoj temperaturi lako narušava uređene magnetske i električne obrasce. Upravo je zbog toga teško dobiti stabilnu kombinaciju feromagnetizma i feroelektričnosti u tako tankom sustavu.
Van der Waalsove sile između slojeva omogućuju da se različite tvari slože bez stvaranja potpuno nove kristalne rešetke. Istraživači tako mogu odvojeno odabrati materijal koji nosi magnetski poredak i materijal koji reagira na električno polje, a zatim ispitati kako njihovo međudjelovanje mijenja ponašanje uređaja.
Za buduću primjenu važna će biti i brzina prebacivanja, potrošnja energije te stabilnost nakon milijuna ili milijardi ciklusa. Rezultat s više od 3000 uspješnih prebacivanja pokazuje da je princip izvediv, ali još ne govori koliko bi uređaj trajao u stvarnom elektroničkom sustavu.
Tek nakon takvih testova bit će moguće procijeniti može li se ovaj laboratorijski koncept pretvoriti u pouzdanu komponentu budućih uređaja.
