Немецкие и российские ученые установили, что легирование эпитаксиальной пленки широкозонного проводника GaN гадолинием приводит к экстраординарно высоким значениям магнитного момента в расчете на атом магнитной примеси.

Эксперименты с так называемыми разбавленными магнитными полупроводниками (твердыми растворами, в которых присутствует несколько процентов магнитных ионов, например) ведутся в настоящее время очень активно, что связано в первую очередь с потребностями нового перспективного направления - спиновой электроники (спинтроники). В отличие от традиционной электроники, оперирующей только с зарядом электрона, спинтроника предполагает работу также со спиновыми степенями свободы. Соответственно, одной из основных задач является управление спиновой поляризацией электронов в полупроводниковых и гибридных структурах (о различных способах, которыми ученые стремятся добиться этой цели, мы писали неоднократно - см, например, новости "Магнитные туннельные структуры для спинтроники") и "Накапливаем, а не тратим").

Рис.1. магнитный момент в расчете на один атом Gd в зависимости от концентрации гадолиния при 2 K (a) и 300 K (b), на вставках показана предельная достигаемая величина намагниченности пленок в зависимости от концентрации гадолиния.

Известно, что в некоторых металлах при добавлении атомов магнитной примеси наблюдается интересное явление - усредненный магнитный момент в расчете на атом примеси превышает собственный магнитный момент этого атома (в связи с чем говорят о гигантском магнитном моменте). Было установлено, что в некоторых случаях магнитный момент в расчете на атом может достигать 15 магнетонов Бора. Ученые из Берлина и Санкт-Петербурга исследовали эпитаксиальные пленки широкозонного полупроводника GaN, легированные Gd в процессе роста, и установили [1], что магнитный момент в расчете на один атом примеси может быть поистине колоссальным.

С помощью одной из модификаций метода молекулярно-пучковой эпитаксии исследователи вырастили на подложках 6H-SiC несколько пленок нитрида галлия с различным содержанием гадолиния (по данным вторичной ионной масс-спектрометрии концентрация Gd варьировалась от 7 x 10¹⁵ см^-3 до 2 x 10¹⁹ см^-3). Как показала магнитометрия, в отличие от нелегированных слоев GaN, являющихся диамагнитными, легированный гадолинием нитрид галлия демонстрируют ферромагнетизм, причем температура Кюри - температура перехода в магнитоупорядоченное состояние - превышает комнатную. Самый же интересный момент состоит в том, что выращенные пленки ялвяются ферромагнитными даже в том случае, когда один атом гадолиния приходится на миллионы атомов галлия и азота! Измерения показывают (рис.1), что средний магнитный момент, приходящийся на один атом магнитной примеси, при гелиевых температурах может достигать 4000 магнетонов Бора (при том, что собственный магнитный момент атома гадолиния - 8 магнетонов Бора)!

Столь аномально высокие значения магнитного момента в расчете на атом примеси могут быть объяснены только в предположении, что внедрение атома Gd в матрицу GaN приводит к спиновой поляризации окружающих атомов (т.е. спины этих атомов выстраиваются в одном направлении), причем "влияние" атома гадолиния простирается на расстояния в десятки нанометров.

Объяснить появление ферромагнетизма в пленках GaN, легированных гадолинием, на основании достаточно простых и хорошо изученных моделей не представляется возможным; необходимы детальные расчеты из первых принципов. Сам же открытиый эффект представляется ученым достаточно многообещающим с точки зрения практических применений: легирование подобных пленок донорными или акцепторными примесями может сделать их удобными источниками спин-поляризованных электронов (дырок) для будущих спинтронных устройств, работающих при комнатной температуре.

1. S.Dhar, O.Brandt, M.Ramsteiner, V.F.Sapega, and K.H.Ploog. Phys.Rev.Lett, v.94, 037205 (2005).

Е.Онищенко