کشف مکانیزم تازه در اسپینترونیک با پادفرومغناطیس‌های دوبعدی

دانشمندان چینی موفق شدند راهی نو برای ساخت ابزارهای سریع‌تر و کم‌مصرف‌تر الکترونیکی پیدا کنند. آن‌ها مکانیزمی تازه معرفی کرده‌اند که می‌تواند مسیر توسعه نسل بعدی فناوری اسپینترونیک (Spintronics) را هموار کند.

معرفی پژوهش

تیمی از محققان به سرپرستی پروفسور شائو دینگ‌فو در مؤسسه فیزیک حالت جامد (زیرمجموعه مؤسسات علوم فیزیکی هفی، وابسته به آکادمی علوم چین) موفق شد روشی جدید برای دستیابی به قطبش اسپینی قوی از طریق رابط‌های فلزات پادفرومغناطیس (Antiferromagnetic Metals) ارائه دهد.

نتایج این پژوهش که در نشریه Newton منتشر شده، سومین نمونه از پیوند تونلی پادفرومغناطیس (AFMTJ) را معرفی می‌کند؛ ساختاری نو که می‌تواند شتاب تازه‌ای به صنعت اسپینترونیک بدهد.

اسپینترونیک چیست؟

فناوری اسپینترونیک از بار الکتریکی و اسپین (ویژگی مغناطیسی ذاتی الکترون) به طور هم‌زمان استفاده می‌کند. برخلاف وسایل الکترونیکی سنتی، این فناوری قادر است داده‌ها را با سرعت بیشتر، در حجم کمتر و با مصرف انرژی پایین‌تر پردازش کند.

یکی از اجزای کلیدی این فناوری، پیوندهای تونلی مغناطیسی (MTJ) هستند که هم‌اکنون در ذخیره‌سازی داده‌ها به کار می‌روند. با این حال، MTJهای مرسوم با مشکلاتی مانند پاسخ کند و ایجاد میدان‌های مغناطیسی ناخواسته روبه‌رو هستند.

مطالعه بیشتر: اسپینترونیک چیست؟

مزیت مواد پادفرومغناطیس

مواد پادفرومغناطیس (AFM) فاقد مغناطش کلی و میدان‌های مزاحم هستند و در عین حال واکنش‌های اسپینی بسیار سریع‌تری دارند. این ویژگی‌ها آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای نسل آینده ابزارهای الکترونیکی بدل می‌کند. اما طراحی پیوندهای تونلی بر پایه AFM تاکنون به خواص توده‌ای خاص وابسته بود و این موضوع، گزینه‌های مواد را محدود می‌کرد.

رویکرد جدید پژوهشگران

در این مطالعه، محققان به جای تمرکز بر ویژگی‌های توده‌ای، بر اثر رابط‌ها (Interface Effects) تمرکز کردند؛ موضوعی که تا پیش از این کمتر جدی گرفته می‌شد.

آنان نشان دادند برخی مواد پادفرومغناطیس – به‌ویژه پادفرومغناطیس‌های نوع A – در سطح رابط‌های صاف و پایدار می‌توانند قطبش اسپینی قوی ایجاد کنند، حتی اگر در حالت توده‌ای چنین قابلیتی نداشته باشند.

طراحی آزمایشی

بر اساس شبیه‌سازی‌های پیشرفته، پژوهشگران یک پیوند تونلی پادفرومغناطیس دوبعدی طراحی کردند که از ترکیب فلز Fe₄GeTe₂ و یک سد عایق از BN ساخته شد.

با وجود این‌که ساختار نواری Fe₄GeTe₂ فاقد جدایش اسپینی بود، جریان‌های اسپین‌قطبیده به طور قابل‌توجهی به دلیل اثرات رابطی شکل گرفتند. این جریان‌ها مستقل از ضخامت یا تعداد لایه‌ها باقی ماندند و منشاء رابطی آن‌ها را تأیید کردند.

نتایج کلیدی

پیوند تونلی طراحی‌شده توانست به مقاومت مغناطیسی تونلی (TMR) نزدیک به ۱۰۰٪ برسد؛ نتیجه‌ای هم‌سطح با طراحی‌های رایج، اما بدون نیاز به اجزای فرومغناطیس. این یعنی می‌توان دامنه مواد قابل استفاده در اسپینترونیک را به شکل چشمگیری گسترش داد.

واکنش متخصصان

پروفسور خوزه لادو (دانشگاه آلتو) و پروفسور ساروج دش (دانشگاه فناوری چالمرز) در یادداشتی همراه با مقاله نوشتند:
«رابط‌های نامتوازن در پادفرومغناطیس‌ها فرصت‌های تازه‌ای برای توسعه هتروساختارهای وندروالس فراهم می‌کنند.» آن‌ها این پژوهش را یک جهش مفهومی و کاربردی مهم توصیف کردند.

چرا این کشف مهم است؟

این دستاورد دو اهمیت کلیدی دارد:

1. شکستن یک باور دیرینه: تاکنون تصور می‌شد برای کاربردهای اسپینترونیک پادفرومغناطیس، اثرات توده‌ای حیاتی هستند. این پژوهش خلاف آن را نشان داد.

2. زمینه‌سازی برای آینده الکترونیک: در دوران پسامور (Post-Moore Era)، که کوچک‌سازی ترانزیستورها به محدودیت رسیده، مهندسی رابط‌ها می‌تواند راهی تازه برای ساخت ابزارهای سریع‌تر، کوچک‌تر و کم‌مصرف‌تر باشد.

More information: Liu Yang et al, Interface-controlled antiferromagnetic tunnel junctions, Newton (2025). DOI: 10.1016/j.newton.2025.100142