Významný úspěch na cestě k novým materiálům pro elektroniku budoucnosti

Stává se jen zřídka, aby se první ohlas na publikovanou práci objevil téměř okamžitě po jejím zveřejnění. Ještě méně časté je, aby tímto ohlasem byla propagace práce pro její průkopnický charakter. Právě toto se podařilo skupině vědců z Fyzikálního ústavu AV ČR, v. v. i., Matematicko-fyzikální fakulty UK, University v Nottinghamu a Hitachi laboratoře v Cambridge. Skupina představila novou třídu materiálů pro spinovou elektroniku, která by měla umožnit ovládání magnetických momentů látky za vysokých teplot pomocí elektrického pole. Redakce časopisu Physical Review Americké fyzikální společnosti, ve které je práce týmu vedeného T. Jungwirthem z FZÚ AV ČR publikována [1], otiskla zároveň ve své rubrice Viewpoint podrobný komentář profesora Roberta J. Cavy z Princetonské university [2].

Proč je tato práce z pohledu Roberta Cavy tak výjimečná? Je to tím, že se v publikaci podařilo propojit realizační řetězec integrovaného mnohovrstevného výzkumu od původní vize nového materiálu přes mikroskopické výpočty a technologickou přípravu materiálu až po experimentální ověření jeho vlastností. Podle autora komentáře zvolil tým při hledání vhodného materiálu pro spinovou elektroniku ukázkový postup.

Krok 1 - motivace.

Technický pokrok v oblasti elektroniky se soustřeďuje na neustálé zmenšování rozměrů součástek. Ty se posunuly od velikosti stolního zařízení až k rozměrům téměř srovnatelným s meziatomovými vzdálenostmi v pevné látce a to během neuvěřitelně krátkého období jen několika desítek let. Vzhledem k tomu, že se rychle blížíme k samotné hranici možného zmenšování klasických polovodičových součástek, je potřeba využít nové fyzikální principy jejich fungování. Jednou z intenzivně zkoumaných možností je využití jiné základní charakteristiky elektronu - spinu. Ten se díky elektrickému náboji elektronu projevuje jako magnetický moment reagující na změny vnějšího magnetického pole. Práce systematicky přistupuje k problému hledání nových materiálů pro budoucí aplikace ve spinové elektronice.

Krok 2 - výběr konkrétního materiálu.

Autoři vyšli z požadavku strukturně chemické kompatibility s běžnými polovodiči a pro její zajištění provedli podrobný rozbor sloučenin myšlenkově odvozených od krystalického křemíku postupně k polovodičům typu III-V a II-VI, I-III-VI₂ a I-II-V z hlediska chemie pevné fáze. Volba padla na skupinu strukturně blízkých sloučenin typu LiMnAs, která byla nepříliš systematicky studována již v 80. letech minulého století.

Atomová struktura krystalu LiMnAs (atomy Li šedě, Mn modře, As žlutě)

Krok 3 - teoretické určení základních vlastností systému.

Prvoprincipielními výpočty autoři potvrdili existenci předpokládaného a dříve pozorovaného antiferomagnetického uspořádání magnetických momentů, a zejména prokázali polovodivý charakter LiMnAs a příbuzných sloučenin.

Krok 4 - příprava vzorků a experimentální ověření vlastností.

Metodou molekulární epitaxe byly připraveny dostatečně kvalitní vrstvy LiMnAs na InAs substrátu, na kterých pak byla provedena optická a magnetická měření, potvrzujících teoreticky předpověděné základní charakteristiky materiálu. Tento poslední krok byl velice odvážný, neboť chování lithiových atomů v zařízení pro molekulární epitaxi nebylo v minulosti zkoumáno. Naopak panoval obecný názor, že silně reaktivní alkalické kovy mohou vážně poškodit nákladný experimentální přístroj. Při přípravě tohoto jedinečného experimentu sehrála klíčovou roli zkušenost a inovativnost odborníků na molekulární epitaxi Víta Nováka a Miroslava Cukra z FZÚ AV ČR a Richarda Campiona a Toma Foxona z University of Nottingham.

Je potěšitelné, že tým českých a britských fyziků dokázal realizovat takto komplexní, náročný a ideově průkopnický projekt a že jeho propagaci podpořil Robert Cava, jeden z nejznámějších světových odborníků na materiálový výzkum. Systematická práce této skupiny v oblasti spintroniky vedla již v minulosti k řadě publikací v nejrenomovanějších vědeckých časopisech a letos vyústila v získání prestižního pětiletého grantu Evropské rady pro výzkum [3].

[1] T. Jungwirth, V. Novák, X. Martí, M. Cukr, F. Máca, A. B. Shick, J. Mašek, P. Horodyská, P. Němec, V. Holý, J. Zemek, P. Kužel, I. Němec, B. L. Gallagher, R. P. Campion, C. T. Foxon, J. Wunderlich, Demonstration of molecular beam epitaxy and a semiconductor band structure for I-Mn-V compounds, Phys. Rev. B 83, 035321 (2011).
[2] R. J. Cava, A useful pyramid scheme, Physics 4, 7 (2011).
[3] T. Jungwirth, Spintronics based on relativistic phenomena in systems with zero magnetic moment (0MSPIN), European Research Council Advanced Grant.