Прорыв в изучении полупроводников: магнитные свойства материалов связали с их резонансными частотами

05.03.2025 10:27:00 | iXBT.com

Исследователи из Лундского университета (Швеция) совершили прорыв в физике магнитных материалов, расширив знаменитое соотношение Лиддейна-Сакса-Теллера (LST) на область магнетизма. Работа впервые связала статическую магнитную проницаемость материала с частотами его магнитного резонанса, что открывает новые возможности для разработки электронных устройств следующего поколения.

Соотношение LST, сформулированное в 1941 году, десятилетиями служило основой для понимания взаимодействия материалов с электрическими полями. Оно описывает связь между статической и динамической диэлектрическими проницаемостями (характеризующими отклик на постоянное и переменное поле) и резонансными частотами колебаний кристаллической решётки. Теперь шведские учёные создали его магнитный «двойник», который вместо диэлектрических свойств фокусируется на магнитных параметрах.

Источник: нейросеть Dall-e

Ключом к открытию стала разработка терагерцового эллипсометра [оптический прибор, измеряющий изменение поляризации света при отражении от материала, что позволяет определять толщину, оптические свойства и структурные характеристики], способного с высокой точностью фиксировать поляризационный отклик материалов в магнитном поле. Терагерцовый эллипсометр позволяет анализировать материалы в диапазоне частот, где проявляются квантовые эффекты, недоступные для видимого света или микроволн, что критично для изучения динамических магнитных свойств и связи статической проницаемости с резонансными частотами в таких системах, как полупроводники с парамагнитными дефектами.

«Идея возникла из работ моего руководителя, профессора Матиаса Шуберта, который изучал связь электрических полей с фононами. Мы предположили, что аналогичный принцип может работать для магнетизма», — пояснил ведущий автор исследования Виктор Риндерт.

Новое соотношение, названное «магнитным LST», связывает статическую магнитную проницаемость (неизменный отклик на постоянное поле) с динамическими характеристиками — резонансными частотами, возникающими при колебаниях магнитных моментов в материале. Для его проверки команда использовала метод THz-EPR-GSE (терагерцовая эллипсометрия с электронным парамагнитным резонансом), разработанный в собственной лаборатории. Учёные измерили магнитные резонансные частоты в полупроводнике на основе нитрида галлия, легированного железом (GaN:Fe), и сравнили данные с результатами традиционной SQUID-магнитометрии. Результаты совпали с прогнозами, подтвердив универсальность открытой закономерности.

Это достижение предоставляет исследователям новый инструмент для анализа магнитных возбуждений в материалах — от полупроводников до сложных антиферромагнетиков. «Наше соотношение фундаментально меняет подход к магнитооптике, — отметил Риндерт. — Особую ценность оно представляет для изучения альтермагнетиков и парамагнитных дефектов в ультраширокозонных полупроводниках, которые критически важны для силовой электроники».

Практическое применение открытия может ускорить создание высокоэффективных преобразователей энергии, процессоров с магнитным управлением и других устройств, где точный контроль магнитных свойств материала определяет производительность. Уже сейчас команда из Лунда адаптирует метод THz-EPR-GSE для анализа дефектов в перспективных материалах, таких как алмаз и оксид галлия, способных работать в экстремальных условиях.

Следующий шаг — проверить универсальность соотношения в более сложных системах, включая многослойные структуры и материалы со спиновой сверхрешёткой — искусственно созданные структуры, в которых периодически чередуются нанометровые слои или области с разной магнитной ориентацией спинов, что позволяет управлять распространением спиновых волн, магнитными резонансами и другими эффектами.

Подробнее