Более 90 ИИ-агентов нашли 2 магнитных полупроводника для памяти
Команда Vals AI проверила с помощью ИИ-агентов материалы для спинтронной памяти и выделила два магнитных полупроводника.
Один спроектирован в ходе поиска, другой химики получили ещё в 1999 году. Их свойства рассчитаны для идеальных кристаллов, а возможность использовать эти вещества в устройствах предстоит проверить в лаборатории.
Более 90 агентов на базе Claude Opus 5.5 работали три дня. За это время они выполнили около 750 квантово-механических расчётов методом функционала плотности и рассмотрели 61 утверждение о свойствах материалов. Для 52 из них команда указала возможность непосредственного воспроизведения. Входные данные, результаты и проверочные скрипты опубликованы на GitHub.
Исследователи искали сочетание свойств, которое называют лютинжеровской компенсацией. Магнитные моменты атомов со спинами «вверх» и «вниз» у такого материала взаимно гасятся, но сами атомы занимают разные положения в кристаллической решётке. Поэтому электронные состояния разных спинов разделяются по энергии, хотя суммарный магнитный момент равен нулю. Это может пригодиться для памяти: информацию можно было бы хранить с помощью спина электронов без паразитных магнитных полей.
Один из расчётных параметров — «спиновое окно». Так называют диапазон энергий у края запрещённой зоны полупроводника, где доступные состояния имеют один и тот же спин. Тепловая энергия при комнатной температуре составляет около 26 мэВ. У обоих найденных кандидатов расчётные окна значительно шире, но измерениями эти значения ещё не подтверждены.
Кандидаты для спинтронной памяти с разными препятствиями для проверки
Первый материал, YBaMnFeO₅, агенты предложили с нуля. Его расчётные свойства зависят от строгого расположения атомов марганца и железа в шахматном порядке. Второй, KV[Cr(CN)₆], уже синтезировали: он относится к семейству соединений типа берлинской лазури. Для него существует способ получения, но прежний образец отличался от идеального сухого кристалла, использованного в моделировании.
| Материал | Запрещённая зона | Спиновое окно для дырок | Спиновое окно для электронов |
|---|---|---|---|
| YBaMnFeO₅ | 2,35 эВ | около 1,0 эВ | около 1,4 эВ |
| KV[Cr(CN)₆] | около 2,1 эВ | около 2,6 эВ | около 1,6 эВ |
Для YBaMnFeO₅ расчёты также дали температуру магнитного упорядочения около 420 К. После калибровки по известному магнитному материалу оценка выросла примерно до 490 К. Изготовить материал будет сложно: необходимый порядок атомов разрушается приблизительно при 950 К, тогда как синтез подобных оксидов требует нагрева до 900—1300 °C. При обычном подходе сохранить рассчитанную структуру не получится.
У KV[Cr(CN)₆] препятствие иное. Материал уже получали, а в образце 1999 года магнитный порядок сохранялся до 376 К, то есть примерно до 103 °C. Это выше комнатной температуры; два других полупроводника, предсказанных в работе 2025 года, согласно приведённому в исследовании сравнению, теряли порядок раньше. Наличие магнитного порядка само по себе ещё не доказывает предсказанную сортировку электронов по спину.
Что уже знали о соединении 1999 года
Когда химики создавали KV[Cr(CN)₆], они подобрали два металлических центра так, чтобы их магнитные моменты компенсировали друг друга. Позднее, в работе 2008 года, расчёты электронных состояний уже показывали признаки нужного разделения по спину. Однако авторы тогда изучали магнитную связь под давлением и не рассматривали соединение как полупроводник с лютинжеровской компенсацией. Спиновые окна для него также не были измерены.
Существующий образец представляет собой порошок с водой в порах. У него зафиксировали остаточный магнитный момент 0,125 магнетона Бора на формульную единицу, тогда как новые расчёты выполнены для идеального сухого кристалла с нулевым суммарным моментом. Вода и дефекты могут изменить свойства материала. Результат моделирования нельзя напрямую переносить на полученный ранее порошок.
Два применённых метода расходятся в оценке влияния воды. Более точный HSE06 указывает, что сортировка электронов по спину должна сохраниться. Более быстрый PBE+U предсказывает сокращение спинового окна для дырок более чем вдвое. Ширину запрещённой зоны KV[Cr(CN)₆] и его спиновые окна экспериментально ещё не измеряли.
Исследователям предстоит заново синтезировать KV[Cr(CN)₆] и напрямую измерить его электронные свойства. Проверка покажет, сохраняется ли рассчитанное разделение по спину в реальном образце, в том числе при наличии воды. Для YBaMnFeO₅ сначала потребуется получить кристалл с нужным порядком атомов: на этой структуре основаны его расчётные характеристики.
