Ученые впервые описали структуру, магнитные и тепловые свойства ромбического кубанита — природного минерала, который ранее был известен как второстепенная медная руда. Оказалось, что этот минерал обладает уникальным сочетанием свойств, которые позволяют использовать его при разработке энергоэффективных сенсоров, элементов памяти и оптических компонентов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Physica B: Condensed Matter.
Современные электронные устройства — начиная от домашних компьютеров и заканчивая сложными серверами — недостаточно энергоэффективны: при обработке информации они рассеивают часть затрачиваемой электроэнергии в виде тепла. Поэтому ученые развивают новые направления электроники и спинтронику — область, где для передачи и обработки информации используют не только электрический заряд, но и магнитное состояние вещества. Однако для создания спинтронных и электронных устройств нового поколения нужны материалы с уникальным сочетанием свойств — низкой теплопроводностью (способностью проводить тепло) и определенной магнитной структурой, которой можно управлять.
Ученые из Института геологии и геохимии имени академика А.Н. Заварицкого УрО РАН (Екатеринбург) и Физико-технического института имени А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург) с коллегами выявили у природного минерала кубанита свойства, перспективные для применения в электронике и спинтронике. Кубанит — тройной сульфид меди и железа — ранее был известен главным образом как второстепенная (не очень богатая полезным ископаемым) руда, из которой добывали медь.
Авторы впервые исследовали этот минерал с помощью ряда экспериментальных методов, а также теоретических расчетов. Такой подход позволил не только описать строение материала на атомном уровне, но и понять, как в нем проявляются магнитные свойства, как ведут себя колебания кристаллической решетки и как распространяется тепло.
Оказалось, что кубанит плохо проводит тепло, причем если рассматривать перенос тепла через кристалл от одной грани к другой, то он зависит от того, через какие грани происходит перенос: в одних случаях легче, чем в других. Благодаря этому свойству минерал в случае использования в электронике позволит управлять тепловыми потоками и тем самым снижать потери энергии при работе устройства.
Кроме того, авторы обнаружили в кубаните магнонные возбуждения — коллективные магнитные волны внутри кристалла, которые можно представить как множество маленьких «магнитных стрелок», связанных друг с другом. Когда одна из них немного отклоняется, это отклонение передается соседним. В результате по кристаллу распространяется магнитная волна. Минерал, в котором есть такие волны, может быть интересен при создании спинтронных устройств.
«Исследования, подобные нашему, помогают понять, какие свойства необходимы для создания новых поколений сенсоров, элементов памяти, оптических компонентов и других устройств. Даже если сам кубанит не сразу станет промышленным материалом, он уже сейчас представляет большую ценность как природная модель для разработки и поиска новых соединений с нужными характеристиками», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елизавета Панкрушина, кандидат химических наук, старший научный сотрудник лаборатории физических и химических методов исследования Института геологии и геохимии имени академика А.Н. Заварицкого УрО РАН.
Помимо кубанита, авторы изучили его синтетический аналог с несколько иной структурой кристаллической решетки — изокубанит. Их сравнение позволило шире взглянуть на связь между составом, структурой и физическими свойствами подобных соединений и открыло дополнительные возможности для поиска новых материалов с заданными характеристиками.
В исследовании принимали участие сотрудники Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск), Института экспериментальной минералогии имени академика Д.С. Коржинского РАН (Черноголовка) и Кольского научного центра РАН (Апатиты).
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.