Mecanismul „împarte” rotațiile electronilor în material magnetic

O reprezentare schematică a perechilor virtuale electron-pozitron care apar aleatoriu lângă un electron (stânga jos). Credit: RJHall/Wikipedia

Prin ținerea materialului potrivit la unghiul potrivit, cercetătorii de la Cornell 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.

Lucrarea echipei, „Tipped spin current generated by colinear antiferromagnetic ruthenium dioxide”, publicată pe 5 mai în Natura electronică. Co-autori seniori ai lucrării sunt cercetătorul postdoctoral Arnab Bose și studenții doctoranzi Nathaniel Schreiber și Rakshit Jain.

De zeci de ani, fizicienii au încercat să schimbe orientarea spinurilor electronilor în materialele magnetice manipulându-le cu câmpuri magnetice. Dar cercetătorii, inclusiv Dan Ralph, profesor de fizică FR Newman la Colegiul de Arte și Științe și autor principal al lucrării, au căutat să utilizeze curenți de spin transportați de electroni, care există atunci când electronii au spini orientați în general într-o singură direcție.

Când acești curenți de spin interacționează cu un strat magnetic subțire, își transferă momentul unghiular și generează suficient cuplu pentru a schimba magnetizarea cu 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, ordonarea 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 dintr-un aliaj magnetic nichel-fier numit Permalloy, care este un feromagnetic moale. Pentru a mapa diferitele componente ale perechii, ei și-au măsurat efectele la o varietate de unghiuri de câmp magnetic.

“Nu știam ce vedem la început. A fost complet diferit de ceea ce am văzut înainte și ne-a luat mult timp să ne dăm seama ce este”, a spus Jain. „În plus, aceste materiale sunt greu de integrat în dispozitivele de memorie, iar speranța noastră este să găsim alte materiale care prezintă un comportament similar care pot fi integrate cu ușurință”.

Cercetătorii au identificat în cele din urmă un mecanism numit „divizare dependentă de impuls”, care este unic pentru oxidul de ruteniu și alți antiferomagneți din aceeași clasă.

„De mult timp, oamenii au presupus că în antiferomagneți, electronii care se rotesc în sus și în jos se comportă întotdeauna la fel. Această clasă de materiale este cu adevărat ceva nou”, a spus Ralph. „Starile electronice de spin-up și spin-down au, în esență, dependențe diferite. Odată ce începi să aplici câmpuri electrice, asta îți oferă imediat o modalitate de a genera curenți puternici de spin, deoarece electronii de spin-up și spin-down reacționează diferit. Deci, diferit. poți să accelerezi una dintre ele mai mult decât pe cealaltă și să obții un curent de rotație puternic în acest fel.”

Acest mecanism a fost emis ipoteza, dar nu a fost niciodată documentat înainte. Atunci când structura cristalină a antiferomagnetic este orientată corespunzător în cadrul dispozitivelor, mecanismul permite curentului de spin să se încline la un unghi care poate permite comutare magnetică mai eficientă decât alte interacțiuni spin-orbita.

Acum, echipa lui Ralph speră să găsească modalități de a face antiferomagneți în care să poată controla structura domeniului — adică regiunile în care momentele magnetice ale electronilor se aliniază în aceeași direcție — și să studieze fiecare domeniu în mod individual, ceea ce este o provocare deoarece domeniile sunt de obicei amestecate.

În cele din urmă, abordarea cercetătorilor ar putea duce la progrese în tehnologiile care încorporează memoria magnetică cu acces aleatoriu.

„Speranța ar fi să facem dispozitive de memorie magnetice foarte eficiente, foarte dense, nevolatile, care să îmbunătățească dispozitivele de memorie din siliciu existente”, a spus Ralph. „Asta ar permite o schimbare reală în modul în care se realizează memoria în computere pentru că ai avea ceva cu o rezistență în esență infinită, foarte dens, foarte rapid, iar informațiile rămân chiar dacă alimentarea este oprită. Nu există memorie care să o facă. decât zilele astea”.


Mijloace extrem de eficiente de inversare a magnetizării cu curenți de spin


Mai multe informatii:
Daniel Ralph, Curent de îndoire în rotație generat de dioxidul de ruteniu antiferomagnetic coliniar, Natura electronică (2022). DOI: 10.1038/s41928-022-00744-8. www.nature.com/articles/s41928-022-00744-8

Furnizat de Universitatea Cornell

Citare: Mecanism „Splits” Electron Spins in Magnetic Material (5 mai 2022) Preluat la 6 mai 2022 de la https://phys.org/news/2022-05-mechanism-electron-magnetic-material. html

Acest document este supus dreptului de autor. În afară de orice tranzacție echitabilă în scopuri private de studiu sau cercetare, nicio parte nu poate fi reprodusă fără permisiunea scrisă. Conținutul este furnizat doar în scop informativ.

Add Comment