Mecanismul „împarte” rotațiile electronilor în material magnetic: ar putea activa noi dispozitive de memorie eficiente din punct de vedere energetic

Oamenii de știință au descoperit o strategie pentru modificarea magnetizării în straturi subțiri ale unui feromagnet, o tehnică care ar putea duce în cele din urmă la dezvoltarea unor dispozitive de memorie magnetice mai eficiente din punct de vedere energetic. (Conceptul artistului).

Cercetătorii de la Cornell au identificat o abordare pentru modificarea magnetizării în straturi subțiri ale unui feromagnet prin ținerea materialului potrivit la unghiul drept, o tehnică care ar putea duce în cele din urmă la dezvoltarea unor dispozitive de memorie magnetice mai eficiente din punct de vedere energetic.

Lucrarea echipei de cercetare, „Skewed Spin Current Generated by Collinear Antiferromagnetic Ruthenium Dioxide”, a fost publicată astăzi (5 mai 2022) în jurnal. Natura electronică. Co-autori seniori ai lucrării sunt cercetătorul postdoctoral Arnab Bose și studenții doctoranzi Nathaniel Schreiber și Rakshit Jain.

Timp de zeci de ani, fizicienii au încercat să schimbe orientarea spinurilor electronilor în materialele magnetice manipulându-le cu câmpuri magnetice. Dar oamenii de știință, inclusiv Dan Ralph, profesor de fizică FR Newman la Colegiul de Arte și Științe și autor principal al lucrării, au căutat să folosească curenți de spin transportați de electroni, care există atunci când electronii au spinuri orientate predominant într-o direcție.

Când acești curenți de spin interacționează cu un strat magnetic subțire, își transferă momentul unghiular și generează suficient cuplu pentru a schimba magnetizarea la 180 de grade. (Procesul de schimbare a acestei orientări magnetice este modul în care cineva scrie informații pe dispozitivele de memorie magnetică.)

Grupul lui Ralph s-a concentrat pe găsirea modalităților de a controla direcția de spin în curenții de spin prin generarea acestora cu materiale antiferomagnetice. În antiferomagneți, toți ceilalți electroni se rotesc în direcția opusă, deci nu există magnetizare netă.

„În esență, ordinea antiferomagnetică poate reduce simetriile probelor suficient pentru a permite orientările neconvenționale ale curentului de spin să existe”, a spus Ralph. „Mecanismul antiferomagnet pare să ofere, de asemenea, o modalitate de a obține curenți de spin destul de puternici”.

Echipa a experimentat cu dioxidul de ruteniu antiferomagnetic și a măsurat modul în care curenții săi de spin înclinau magnetizarea într-un strat subțire de magnet magnetic de nichel-fier.[{” attribute=””>alloy called Permalloy, which is a soft ferromagnet. In order to map out the different components of the torque, they measured its effects at a variety of magnetic field angles.

“We didn’t know what we were seeing at first. It was completely different from what we saw before, and it took us a lot of time to figure out what it is,” Jain said. “Also, these materials are tricky to integrate into memory devices, and our hope is to find other materials that will show similar behavior which can be integrated easily.”

The researchers eventually identified a mechanism called “momentum-dependent spin splitting” that is unique to ruthenium oxide and other antiferromagnets in the same class.

“For a long time, people assumed that in antiferromagnets spin up and spin down electrons always behave the same. This class of materials is really something new,” Ralph said. “The spin up and spin down electronic states essentially have different dependencies. Once you start applying electric fields, that immediately gives you a way of making strong spin currents because the spin up and spin down electrons react differently. So you can accelerate one of them more than the other and get a strong spin current that way.”

This mechanism had been hypothesized but never before documented. When the crystal structure in the antiferromagnet is oriented appropriately within devices, the mechanism allows the spin current to be tilted at an angle that can enable more efficient magnetic switching than other spin-orbit interactions.

Now, Ralph’s team is hoping to find ways to make antiferromagnets in which they can control the domain structure – i.e., the regions where the electrons’ magnetic moments align in the same direction – and study each domain individually, which is challenging because the domains are normally mixed.

Eventually, the researchers’ approach could lead to advances in technologies that incorporate magnetic random-access memory.

“The hope would be to make very efficient, very dense and nonvolatile magnetic memory devices that would improve upon the existing silicon memory devices,” Ralph said. “That would allow a real change in the way that memory is done in computers because you’d have something with essentially infinite endurance, very dense, very fast, and the information stays even if the power is turned off. There’s no memory that does that these days.”

Reference: “Tilted spin current generated by the collinear antiferromagnet ruthenium dioxide” by Arnab Bose, Nathaniel J. Schreiber, Rakshit Jain, Ding-Fu Shao, Hari P. Nair, Jiaxin Sun, Xiyue S. Zhang, David A. Muller, Evgeny Y. Tsymbal, Darrell G. Schlom and Daniel C. Ralph, 5 May 2022, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-022-00744-8

Co-authors include former postdoctoral researcher Ding-Fu Shao; Hari Nair, assistant research professor of materials science and engineering; doctoral students Jiaxin Sun and Xiyue Zhang; David Muller, the Samuel B. Eckert Professor of Engineering; Evgeny Tsymbal of the University of Nebraska; and Darrell Schlom, the Herbert Fisk Johnson Professor of Industrial Chemistry.

The research was supported by the U.S. Department of Energy, the Cornell Center for Materials Research (CCMR), with funding from the National Science Foundation’s Materials Research Science and Engineering Center program, the NSF-supported Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM), the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative, and the NSF’s Major Instrument Research program.

The devices were fabricated using the shared facilities of the Cornell NanoScale Science and Technology Facility and CCMR.

Add Comment