Ученые нашли у природного материала ценные для новейшей электроники свойства

Впервые описана структура, магнитные и тепловые свойства ромбического кубанита.

Это природный минерал, который ранее был известен как второстепенная медная руда. Оказалось, что этот минерал обладает уникальным сочетанием свойств, которые позволяют использовать его при разработке энергоэффективных сенсоров, элементов памяти и оптических компонентов. Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в журнале Physica B: Condensed Matter.

Современные электронные устройства — начиная от домашних компьютеров и заканчивая сложными серверами — недостаточно энергоэффективны: при обработке информации они рассеивают часть затрачиваемой электроэнергии в виде тепла. Поэтому ученые развивают новые направления электроники и спинтронику — область, где для передачи и обработки информации используют не только электрический заряд, но и магнитное состояние вещества. Однако для создания спинтронных и электронных устройств нового поколения нужны материалы с уникальным сочетанием свойств — низкой теплопроводностью (способностью проводить тепло) и определенной магнитной структурой, которой можно управлять.

Ученые из Института геологии и геохимии имени академика А. Н. Заварицкого УрО РАН (Екатеринбург) и Физико-технического института имени А. Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) с коллегами выявили у природного минерала кубанита свойства, перспективные для применения в электронике и спинтронике. Кубанит — тройной сульфид меди и железа — ранее был известен главным образом как второстепенная (не очень богатая полезным ископаемым) руда, из которой добывали медь.

Авторы впервые исследовали этот минерал с помощью ряда экспериментальных методов, а также теоретических расчетов. Такой подход позволил не только описать строение материала на атомном уровне, но и понять, как в нем проявляются магнитные свойства, как ведут себя колебания кристаллической решетки и как распространяется тепло.

Оказалось, что кубанит плохо проводит тепло, причем если рассматривать перенос тепла через кристалл от одной грани к другой, то он зависит от того, через какие грани происходит перенос: в одних случаях легче, чем в других. Благодаря этому свойству минерал в случае использования в электронике позволит управлять тепловыми потоками и тем самым снижать потери энергии при работе устройства.

Кроме того, авторы обнаружили в кубаните магнонные возбуждения — коллективные магнитные волны внутри кристалла, которые можно представить как множество маленьких «магнитных стрелок», связанных друг с другом. Когда одна из них немного отклоняется, это отклонение передается соседним. В результате по кристаллу распространяется магнитная волна. Минерал, в котором есть такие волны, может быть интересен при создании спинтронных устройств.

«Исследования, подобные нашему, помогают понять, какие свойства необходимы для создания новых поколений сенсоров, элементов памяти, оптических компонентов и других устройств. Даже если сам кубанит не сразу станет промышленным материалом, он уже сейчас представляет большую ценность как природная модель для разработки и поиска новых соединений с нужными характеристиками», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елизавета Панкрушина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физических и химических методов исследования Института геологии и геохимии имени академика А. Н. Заварицкого УрО РАН.

Помимо кубанита, авторы изучили его синтетический аналог с несколько иной структурой кристаллической решетки — изокубанит. Их сравнение позволило шире взглянуть на связь между составом, структурой и физическими свойствами подобных соединений и открыло дополнительные возможности для поиска новых материалов с заданными характеристиками.

В исследовании принимали участие сотрудники Института физики имени Л. В. Киренского СО РАН (Красноярск), Института экспериментальной минералогии имени академика Д. С. Коржинского РАН (Черноголовка) и Кольского научного центра РАН (Апатиты).

Источник: портал «Десятилетие науки и технологий»