Kryształy związków półprzewodnikowych z rodziny azotku galu szturmem podbijają przemysł oświetleniowy stanowiąc kluczowy element źródła światła w LED-ach czy w wyświetlaczach monitorów. Azotek galu (GaN) jest także dominującym półprzewodnikiem w takich dziedzinach jak elektronika wysokich mocy (przekaźniki bezstykowe) czy telekomunikacja bardzo wysokich częstotliwości. Obecnie materiał ten stał się drugim pod względem znaczenia gospodarczego półprzewodnikiem po krzemie.

Między innymi dlatego od kilkunastu lat trwają poszukiwania magnetycznej wersji GaN, która umożliwiłaby technologiczne ujednolicenie elementów odpowiedzialnych za przesyłanie, magazynowanie i przetwarzanie informacji – prowadząc do dalszego zwiększenia efektywności, miniaturyzacji i kolejnej, znaczącej redukcji kosztów takich urządzeń.

Jednak osiągnięcie samych właściwości magnetycznych to za mało. Ważne jest jeszcze znalezienie metody efektywnego sterowania kierunkiem namagnesowania takiego materiału. Np. zawartość komórki pamięci magnetycznej musi być jednoznacznie określona przez kierunek jej namagnesowania (umownie: „góra” – „dół” = „1” – „0”).

W tym celu naukowcy sięgnęli do pewnej ważnej cechy tego materiału – zmiany rozmiarów kryształu po przyłożeniu zewnętrznego napięcia elektrycznego (np. z baterii). Efekt jest odwracalny - po odłączeniu baterii kryształ powraca do wyjściowych rozmiarów. Zjawiska tego rodzaju nazywamy piezoelektrycznością i od dziesiątków lat jest ono wykorzystywane w wielu dziedzinach życia, np. do wytwarzania iskry w zapalniczkach. Można je także wykorzystać do sterowania kierunkiem namagnesowania w sztucznie wytworzonych układach hybrydowych zbudowanych z elementu piezoelektrycznego odkształcającego mechanicznie połączony z nim materiał magnetyczny lub w sztucznie tworzonych nanometrowych układach kompozytowych. Oczekuje się, że takie zachowanie może stać się podstawą nowej metody zapisu informacji w pamięciach magnetycznych bez użycia ruchomej głowicy.

Pracownicy Instytutu Fizyki PAN w zespole pod kierunkiem prof. Tomasza Dietla odkryli, że opisane powyżej zjawisko piezo-elektromagnetyczne może istnieć nie tylko w strukturach hybrydowych, ale także w układach jednorodnych. Układem takim jest związek pokrewny azotku galu - (Ga,Mn)N. Powstaje on, kiedy w jego sieci krystalicznej GaN pewną część atomów galu zastąpi się atomami manganu. Mangan pełni rolę czynnika magnetycznego w tym związku, a odpowiedniej jakości jednorodne warstwy krystaliczne (Ga,Mn)N zostały na potrzeby tych badań przygotowane w zespole profesor Alberty Bonanni z Uniwersytetu im. Jana Keplera w Linzu.

W pierwszej kolejności wykazano, że materiał ten posiada bardzo dobre właściwości izolacyjne. Umożliwiło to przyłożenie wysokiego pola elektrycznego i wykorzystanie piezoelektrycznych właściwości tego materiału – poprzez indukowane zmiany wydłużenia (Ga,Mn)N (tzw. odwrotne zjawisko piezoelektryczne), deformowano najbliższe otoczenie krystaliczne atomów Mn, co zmieniało preferowany przez nie kierunek namagnesowania (fizycy nazywają to anizotropią magnetyczną), a przez to całego materiału.

Na obecnym etapie badań efekt ten jest niewielki i występuje tylko w bardzo niskich temperaturach osiąganych wyłącznie w warunkach laboratoryjnych. Tak czy inaczej jest to pierwsza tak dokładnie przebadana i opisana obserwacja istnienia bezpośredniego sprzężenia piezo-elektromagnetycznego w jednym materiale.

Na uwagę zasługuje fakt, że efekt ten jest całkowicie powtarzalny oraz odwracalny. A dodatkowo nie zależy on od rozmiarów układu – w szczególności będzie występował w strukturach nanometrowych, a więc gwarantujących najwyższe gęstości upakowania. Ze względu na wymaganą wysoką czułość, badania doświadczalne, wykonywane w Instytucie Fizyki pod kierunkiem prof. Macieja Sawickiego, wymagały modyfikacji standardowej metody pomiaru namagnesowania poprzez wykorzystanie techniki modulacyjnej, tj. poszukiwano zmian namagnesowania zachodzących w takt przykładanego pola elektrycznego.

Wyniki badań zostały opublikowane w najnowszym numerze prestiżowego brytyjskiego czasopisma naukowego "Nature Communications" .

PAP - Nauka w Polsce

lt/ agt/