Как лёгкий металл крутит магнит экспресс
Обычно, чтобы перевернуть магнит в устройстве памяти, используют тяжёлые металлы вроде платины или вольфрама. Их электроны при протекании тока сносятся вбок, как толпа на эскалаторе, и этот снос передаёт магнитному слою вращательный момент. Но тяжёлые металлы дороги и теряют много энергии в виде тепла.
Теперь исследователи заменили тяжёлый металл на лёгкий — нитрид ванадия (VN). В нём работает другой механизм: орбитальный эффект Холла. Электроны в VN не просто летят, а движутся по орбитам, как планеты вокруг Солнца. При протекании тока орбиты наклоняются, и этот наклон передаётся соседнему слою [Co/Pt]3, где превращается в обычный спиновый момент. Тот и переворачивает намагниченность.
Для полного переключения понадобился ток плотностью около 10⁷ А/см² и внешнее магнитное поле. Без поля переключение было частичным. Плотность тока сравнима с устройствами на вольфраме, но сам материал легче и потенциально дешевле. Расчёты подтвердили: у VN большая орбитальная проводимость и маленькая спиновая, то есть орбитальный ток действительно доминирует.
Такой подход может лечь в основу новой электроники — «орбитроники», где информация переносится орбитальным моментом, а не спином или зарядом. Это открывает путь к более экономичным устройствам памяти и логики.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2601.01115
The orbital Hall effect (OHE) in light transition metals offers a promising route to generate orbital torques for efficient magnetization control, providing an alternative to conventional spin Hall effect approaches that rely on heavy metals. We demonstrate perpendicular magnetization switching in [Co/Pt]3 multilayers driven by the OHE in a light 3d transition metal nitride, VN, with 111-texture of face-center cubic structure. Second harmonic Hall measurement reveals a large torque efficiency of -0.41 in the VN(7.5 nm)/[Co(0.35nm)/Pt(0.3 nm)]3, which significantly surpasses that in the control samples with Co, Py, and CoFeB ferromagnets, suggesting strong conversion of orbital current originating from VN to spin current by [Co/Pt]3 ferromagnet. Full switching by in-plane current is achieved with an in-plane magnetic field, while partial field-free switching occurs without it. The critical current density for the switching is found to be comparable to that of the W-based spin-orbit torque device. First-principles calculations confirm a large orbital Hall conductivity in VN, with a small spin Hall conductivity around the Fermi energy. Our results highlight the potential in the combination of light 3d transition metal nitrides and Co/Pt ferromagnetic multilayer with 111-texture to maximize the magnetization switching efficiency of orbitronic devices.
Нитрид ванадия по твёрдости близок к стали, но проводит ток почти как металл — поэтому его используют в износостойких покрытиях и, как оказалось, в спинтронике.