Устройства со сложной трехмерной формой могли бы быть компактнее, эффективнее и мощнее, однако до сих пор у ученых было мало способов, позволяющих создавать такие структуры. Специалисты Центра исследований эмерджентных состояний материи RIKEN в Японии разработали технику, которая позволяет строить трехмерные наноустройства непосредственно из монокристаллических материалов.
Метод основан на использовании сфокусированного ионного пучка — инструмента, который может удалять материал с точностью менее микрона. Процесс напоминает работу скульптора: материал аккуратно убирается из цельного блока, пока не будет достигнута желаемая форма. Такой уровень контроля позволяет создавать трехмерные устройства практически из любого кристаллического материала, не ограничиваясь теми, что подходят для традиционных методов изготовления.
Чтобы продемонстрировать возможности технологии, команда изготовила крошечные спиральные структуры из магнитного кристалла на основе кобальта, олова и серы. Исходя из известных свойств этого материала, ученые ожидали, что закрученная геометрия породит особый диодный эффект — неодинаковое прохождение электрического тока в разных направлениях. Эксперименты подтвердили эти предположения.
Ток действительно легче протекал в одном направлении, чем в другом, причем эффект можно было обратить, изменив намагниченность или хиральность — направление закрутки спирали. Также ученые обнаружили обратное взаимодействие: мощные электрические импульсы могли переключать намагниченность структуры.
Это открытие очень важно, так как в наши дни диоды являются незаменимыми компонентами современной электроники, их используют в преобразователях переменного тока в постоянный, обработке сигналов и светодиодных устройствах.
Сравнивая спирали разных размеров и измеряя их поведение при различных температурах, ученые установили, что диодный эффект возникает из-за неравномерного рассеяния электронов вдоль изогнутых хиральных стенок устройств. Это означает, что физическая форма компонента напрямую влияет на движение электричества через него.
«Рассматривая геометрию как источник нарушения симметрии наравне с внутренними свойствами материала, мы можем проектировать электрическую неодинаковость на уровне устройства, — говорит соавтор работы Макс Берч. — Наш новый метод наноскульптуры открывает широкий спектр исследований того, как трехмерные и изогнутые геометрии устройств могут использоваться для реализации новых электронных функций».
Результаты указывают на возможность создания маломощных компонентов с инженерно спроектированной формой для будущих технологий памяти, логики и сенсорики.
Ранее ученые выяснили, как незначительное изменение спина полностью меняет знаменитый квантовый эффект.