Scientists at Chelyabinsk State University (ChelSU) have achieved a significant breakthrough in developing a novel alloy capable of revolutionizing computer performance. This material opens up possibilities for creating microchips that operate based on the quantum properties of electrons. The detailed research findings were published in the prestigious Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
ChelSU specialists observe that conventional computing systems are approaching their technological limits. They struggle with complex tasks easily handled by the human brain, such as instantaneous facial recognition, deep speech understanding, or predicting unpredictable events. Innovative approaches are essential to overcome these barriers.
«One of the most promising avenues for addressing current computational challenges is spintronics. Unlike traditional electronics, which operate on the electron`s charge, spintronic devices utilize spin — an electron`s fundamental quantum property that defines its magnetic characteristics,» stated Associate Professor Oksana Pavlukhina from ChelSU`s Department of Radiophysics and Electronics.
Pavlukhina elucidates the concept of spintronics by likening a traditional computer to a plumbing system where information is represented by a flow of water (electrical charge). In spintronics, however, the focus is on the «rotation» of each individual «water molecule» (electron spin). This approach enables the creation of computing devices that operate significantly faster while consuming much less energy.
For the realization of spintronic devices, it is critically important to use materials with a high degree of spin polarization. This parameter indicates the proportion of electrons in the material oriented in a single direction, directly influencing the stability and efficiency of the prospective device.
In their quest for such unique materials, ChelSU scientists concentrated on Heusler alloys, renowned for their exceptional magnetic properties. They began with three-component Heusler alloys exhibiting low spin polarization, which previously held no practical application in spintronics. Their objective was to transform these into four-component alloys with enhanced characteristics.
By applying density functional theory, the researchers successfully synthesized new alloys with impressively high spin polarization. «Our calculations confirmed that an alloy with a partial mixture of gallium and arsenic exhibits stable half-metallic behavior with perfect 100% spin polarization,» Pavlukhina commented.
This fundamental discovery provides profound insight into the mechanisms that allow for the deliberate modification of alloy compositions to achieve desired properties. The team plans to continue their research to identify alloys with the greatest potential for constructing spintronic devices.
This research was financially supported under state assignment No. 075-00186-25-00.
Оригинальный текст на русском языке (перефразированный)
Ученые Челябинского государственного университета (ЧелГУ) добились значительного успеха в разработке нового сплава, способного совершить революцию в производительности компьютеров. Этот материал открывает возможности для создания микросхем, функционирующих на основе квантовых свойств электронов. Подробности исследования были опубликованы в престижном издании Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Специалисты ЧелГУ отмечают, что классические вычислительные системы подходят к своему технологическому пределу. Они сталкиваются с трудностями при выполнении сложных задач, легко решаемых человеческим мозгом, таких как мгновенное распознавание образов, глубокое понимание речи или прогнозирование непредсказуемых явлений. Для преодоления этих барьеров необходимы инновационные подходы.
«Одним из наиболее многообещающих направлений для решения существующих проблем является спинтроника. В отличие от традиционной электроники, которая оперирует зарядом электрона, спинтронные устройства используют спин — фундаментальное квантовое свойство электрона, определяющее его магнитные характеристики», — подчеркнула доцент кафедры радиофизики и электроники ЧелГУ Оксана Павлухина.
Павлухина объясняет концепцию спинтроники, сравнивая традиционный компьютер с водопроводной системой, где информация представлена потоком воды (электрическим зарядом). В спинтронике же работа идет с «вращением» каждой отдельной «молекулы воды» (спином электрона). Такой подход позволяет создавать вычислительные устройства, которые работают значительно быстрее и потребляют при этом гораздо меньше энергии.
Для реализации спинтронных устройств критически важно применять материалы с высокой степенью спиновой поляризации. Этот параметр указывает на долю электронов в материале, ориентированных в одном направлении, что напрямую влияет на стабильность и эффективность функционирования будущего устройства.
В поисках таких уникальных материалов ученые ЧелГУ сфокусировались на сплавах Гейслера, известных своими исключительными магнитными свойствами. Они начали с трехкомпонентных сплавов Гейслера с низкой спиновой поляризацией, которые не имели практического применения в спинтронике. Их целью было преобразовать эти сплавы в четырехкомпонентные с улучшенными характеристиками.
Используя теорию функционала плотности, исследователям удалось синтезировать новые сплавы с впечатляюще высокой спиновой поляризацией. «Наши расчеты подтвердили, что сплав, в котором галлий и мышьяк частично смешаны, демонстрирует устойчивое полуметаллическое поведение со идеально стопроцентной спиновой поляризацией», — отметила Павлухина.
Это фундаментальное открытие предоставляет глубокое понимание механизмов, позволяющих целенаправленно изменять состав сплавов для достижения желаемых свойств. В дальнейшем команда планирует продолжить исследования по выявлению сплавов, обладающих наибольшим потенциалом для создания спинтронных устройств.
Данная исследовательская работа была поддержана в рамках государственного задания №075-00186-25-00.
