Учёные обнаружили скрытый магнетизм в ультратонком материале для будущей памяти компьютеров

Американские учёные обнаружили признаки необычной формы магнетизма в ультратонком квантовом материале, которые могут открыть путь к созданию более компактной и быстрой оперативной памяти и эффективных спинтронных устройств. Исследователи показали, что ультратонкая плёнка диоксида рутения способна проявлять магнитные свойства при определённых условиях, хотя его массивная форма долгое время считалась немагнитной.

Исследование провели специалисты Университета Райса в Хьюстоне совместно с коллегами из Университета Миннесоты и Института Пауля Шеррера в Швейцарии. Учёные обнаружили, что при уменьшении диоксида рутения RuO₂ до нескольких атомных слоёв и воздействии на него механической деформации кристаллической решётки материал начинает демонстрировать необычное магнитное поведение.

Диоксид рутения относится к квантовым материалам и широко используется, в частности, в качестве электрокатализатора в промышленных процессах. При этом его объёмная форма традиционно рассматривается как немагнитная, поэтому обнаружение магнитного состояния в ультратонких плёнках показывает, насколько сильно свойства материала могут изменяться при переходе к толщине в несколько атомных слоёв.

«Наше исследование показывает, что именно ультратонкая форма диоксида рутения может оказаться ключом к приданию ему магнитных свойств», — объяснила доцент кафедры физики и астрономии Университета Райса Мин И, одна из авторов работы.

Диоксид рутения уже рассматривался в качестве одного из возможных материалов для нового типа магнетизма, получившего название альтермагнетизм. В конце 2025 года исследователи из Японии предположили, что ультратонкие плёнки RuO₂ могут использоваться для создания более быстрых, плотных и надёжных микросхем памяти.

Новое исследование предоставило экспериментальные данные в поддержку этой идеи. Учёные показали, что при уменьшении материала до нескольких атомных слоёв и создании деформации кристаллической решётки в нём возникает магнитное состояние, соответствующее признакам альтермагнетизма.

Альтермагнетизм представляет собой недавно предложенную разновидность магнитного порядка, которая сочетает некоторые свойства ферромагнетиков и антиферромагнетиков. В таких материалах электронные спины обладают особой пространственной структурой, благодаря которой могут возникать свойства, перспективные для разработки электронных устройств нового поколения.

Чтобы определить магнитное состояние ультратонкого диоксида рутения, исследователи изучили так называемую спиновую текстуру. Она описывает распределение спинов электронов в материале и позволяет определить особенности его магнитного состояния.

Для проведения измерений учёные использовали спектроскопию фотоэлектронной эмиссии с угловым разрешением и разрешением по спину. Этот сложный экспериментальный метод позволяет исследовать электронную структуру материалов на квантовом уровне и непосредственно получать информацию о свойствах электронных состояний.

Первый автор исследования Ичэнь Чжан отметил, что совместный анализ экспериментальных данных и теоретических расчётов показал наличие в диоксиде рутения спиновых текстур, характерных для необычного магнитного состояния. По его словам, результаты указывают на возможность принципиально различного магнитного поведения объёмного и ультратонкого RuO₂ при определённых условиях.

Ключевую роль в эксперименте сыграла деформация кристаллической решётки. Исследователи специально изменяли структуру материала, создавая так называемое механическое напряжение решётки, которое способно влиять на движение электронов и взаимодействие между их спинами.

Без такой деформации электронные спины в ультратонком материале вели себя аналогично спинам в обычном объёмном RuO₂, и признаков альтермагнетизма обнаружить не удалось. Однако после введения контролируемого напряжения кристаллическая структура изменилась, и материал приобрёл признаки необычного магнитного порядка.

Учёные считают, что это открывает возможность использовать деформацию кристаллической решётки как своеобразный инструмент управления магнитным состоянием. Изменяя степень механического напряжения, потенциально можно включать, выключать или регулировать альтермагнитные свойства материала.

«Зависимость от деформации показывает, что механическое напряжение решётки может стать инструментом для возникновения или управления альтермагнетизмом», — отметил Чжан. По его словам, такой подход может оказаться особенно интересным для будущих технологий спинтроники и архитектур оперативной памяти.

Спинтроника использует не только электрический заряд электронов, как традиционная электроника, но и их спин. Управление спиновыми состояниями потенциально позволяет создавать устройства, которые потребляют меньше энергии, работают быстрее и обладают большей плотностью хранения информации.

Особенно интересным для разработчиков памяти является возможность управлять магнитными состояниями материала без необходимости существенно изменять его химический состав. Если свойства ультратонких плёнок RuO₂ удастся надёжно контролировать с помощью деформации решётки, этот принцип может быть использован при разработке новых архитектур электронных компонентов.

Однако исследование также показывает, насколько сложными могут быть квантовые материалы. Для получения магнитного состояния оказалось недостаточно просто уменьшить толщину диоксида рутения — необходимо было одновременно обеспечить определённые структурные условия и провести высокоточные измерения электронной структуры.

Интерпретация результатов спектроскопии с разрешением по спину потребовала сопоставления экспериментальных данных с теоретическими расчётами. Благодаря этому исследователям удалось определить симметрию магнитного состояния и предложить возможный способ управления им в перспективных квантовых материалах.

На данном этапе речь не идёт о готовой технологии производства компьютерной памяти. Исследование демонстрирует фундаментальную возможность управления необычным магнитным состоянием ультратонкого материала, а для практического применения потребуется ещё изучить стабильность этого состояния, способы его переключения, масштабирование технологии и совместимость с существующими производственными процессами.

Тем не менее обнаружение альтермагнитного состояния в ультратонком диоксиде рутения показывает, что изменение толщины материала и контролируемая деформация его кристаллической структуры способны радикально менять его электронные свойства. В перспективе это может дать исследователям новый инструмент для создания более быстрых и плотных устройств памяти и компонентов спинтронной электроники.

Исследование опубликовано в журнале Science Advances.