Новая гипотеза исследователей из Университета Райса позволяет предполагать, что дефекты в структуре некоторых двумерных материалов приводят к созданию условий, ответственных за образование наноразмерного магнитного поля.

Расчеты, сделанные специалистом по теоретической физике Борисом Якобсоном (Boris Yakobson), показывают, что эти дефекты, известные как межзеренная граница (grain boundaries) в двумерных дихалькогенидных полупроводниках могут обладать магнитными свойствами. Это обстоятельство может привести к разработке новой стратегии поисков в популярной сейчас области спинтроники, которая пытается приручить собственный спин электрона и связанное с этим спином магнитное поле для использования в электронных и вычислительных системах.

Дихалькогениды представляют собой гибридные материалы, которые состоят из атомов переходного металла и атомов халькогенов – серы, селена или теллура. Исследователи из группы Якобсона сконцентрировались на изучении полупроводящего дисульфида молибдена, который, как и графен может быть получен в виде двумерной кристаллической решетки с помощью метода химического осаждения паров [chemical vapor deposition (CVD)]. В установке для химического осаждения паров атомы размещаются вокруг катализатора-зародыша в виде хорошо известной гексагональной двумерной структуры, однако при получении дисульфида молибдена атомы серы могут подниматься над плоскостью, в которой находятся атомы молибдена тили же опускаться ниже этой плоскости.

Такая особенность двумерной кристаллической решетки сульфида молибдена приводит к тому, что в ряде случаев в ее структуре появляются дефекты, и вместо правильных шестиугольных элементов решетки в ней появляются так называемые дислокации, в которых наблюдается конденсация пяти- и семичленного или же четырех- и восьмичленного циклов. Для графена такие дислокации нежелательны, поскольку уменьшают его механическую прочность, однако дисульфиду молибдена или другим дихалькогенидам они придают уникальные и полезные свойства.

В исследовании, результаты которого были опубликованы ранее, Якобсон обнаружил, что дислокации в строении дисульфида молибдена создают проводящие зоны толщиной в один атом и полиэдры, по форме напоминающие четырехугольный детский волчок – дрейдель. В новой работе исследователи захотели копнуть глубже и выяснили, что дислокации становятся магнитными на тех участках, на которых электроны взаимодействуют таким образом, чтобы их спины взаимно не компенсировали друг друга, как это происходит в идеальной, не имеющей изъянов решетке. Сила такого наномагнита зависит от угла, под которым происходит связывание дефектов решетки и увеличивается вместе с количеством дислокаций, которое, помимо этого, увеличивает энергетическую устойчивость материала.

Как отмечают исследователи, у каждого электрона есть заряд и спин, и оба этих параметра могут использоваться для переноса информации. Вместе с тем, используя обычные транзисторы, мы заставляем работать только заряд, а вот в спинтронных устройствах, за которыми, как полагают некоторые, будущее, для увеличения эффективности и возможности решения новых задач, необходимо будет контролировать и заряд и спин.

Как отмечает Якобсон, результаты новой работы предполагают введение дополнительной степени свободы для развития устройств – нового способа контроля состояния электронных устройств на основе дисульфида молибдена. Исследователь считает, что возможность управлять магнитными свойствами этого двумерного материала в ряде случаев превосходит возможности по управлению систем, изготовленных на основе графена.

Тем не менее, как заявляет Якобсон, дело «осталось за малым» – разработкой метода, позволяющего экспериментально подтвердить (или опровергнуть) выявленные в результате компьютерного моделирования закономерности. По его словам, перед экспериментаторами будет стоять совсем нетривиальная задача измерения магнитных свойств небольших островков двумерного дисульфида молибдена, которая помимо необходимости проведения измерений с большим разрешением осложняется еще и тем, что ряд хорошо зарекомендовавших себя классических методов, применяющихся для решения подобных задач, в данном случае может оказаться бесполезными. Например, имеющий хорошее разрешение метод электронных пучков может или разрушить материал или уничтожить полезные дефекты в его строении.