Nový 2D multiferroický kov funguje při pokojové teplotě: Otevírá cestu k energeticky úsporným pamětem

Vědci z Číny vyvinuli průlomový dvourozměrný multiferroický kov, který kombinuje elektrickou polarizaci a magnetický řád při pokojové teplotě. Objev otevírá cestu k vývoji energeticky úsporných spintronických pamětí pro budoucí nanoelektroniku.

Multiferroické kovy jsou materiály, které ve stejném krystalu vykazují jak elektrickou polarizaci, tak magnetický řád – stav známý jako multiferroicita. Díky koexistenci těchto vlastností mohou interagovat prostřednictvím magnetoelektrické (ME) vazby, což umožňuje elektrickým polím ovlivňovat magnetismus.

Současné objemové multiferroické materiály se však potýkají s omezeními, včetně relativně malé spontánní polarizace, slabých koeficientů ME vazby a omezené provozní stability za běžných podmínek. Tyto problémy jsou často způsobeny únikovými proudy vyvolanými kyslíkovými vakancemi, což omezuje jejich praktické využití.

Nyní se však výzkumníkům z Institutu fyziky Čínské akademie věd ve spolupráci s kolegy z univerzity Zhejiang podařilo dosáhnout řízení magnetických stavů elektrickým polem pomocí dvourozměrného (2D) van der Waalsova materiálu. Zároveň prokázali inherentní multiferrocitu při pokojové teplotě se silnou ME vazbou. Studie byla publikována v prestižním časopise Nature Materials.

Konkrétně tým vyvinul novou střídavou antiferromagnetickou (AFM)/ferromagnetickou (FM) vrstvenou konfiguraci v dvouvrstvém CrTe₂, kde mezivrstvový elektrostatický potenciální rozdíl přirozeně narušuje inverzní symetrii, což vede k reverzibilní polarizaci mimo rovinu. Následně vytvořili vysoce kvalitní dvouvrstvé filmy CrTe₂ pomocí molekulární paprskové epitaxe, čímž demonstrovali 2D multiferroickou fázi stabilní při pokojové teplotě.

První principové výpočty v kombinaci se skenovací tunelovou mikroskopií, piezoelektrickou silovou mikroskopií a magnetickou silovou mikroskopií potvrdily, že elektrostatický potenciální rozdíl mezi AFM a FM vrstvami vyvolal spontánní narušení inverzní symetrie a generoval robustní feroelektrickou polarizaci. Na rozdíl od mechanismů řízených spin-orbitální vazbou u typických multiferroiků typu II, tento mechanismus mezivrstvové nábojové asymetrie umožnil silnou ME vazbu, která přetrvávala až do pokojové teploty.

Navržená supermřížková struktura FM/AFM představuje univerzální princip návrhu pro vytváření 2D jednofázových multiferroiků. Schopnost „elektrického zápisu a magnetického čtení“, demonstrovaná u dvouvrstvého CrTe₂ při pokojové teplotě a stabilitě na vzduchu, překlenuje propast mezi základní multiferroickou fyzikou a škálovatelnými aplikacemi. Tímto se 2D multiferroiky stávají životaschopnou platformou pro CMOS-kompatibilní, energeticky úsporné spintronické paměti, což urychlí jejich integraci do post-Mooreovy nanoelektroniky.