Metodă inovatoare de schimbare a magnetizării în material magnetic

Prin plasarea materialului potrivit la unghiul potrivit, oamenii de știință de la Universitatea Cornell au reușit să descopere o modalitate de a schimba magnetizarea în straturile subțiri ale unui feromagnet, o abordare care ar putea duce în cele din urmă la crearea unor dispozitive de memorie magnetice extrem de eficiente.

Credit imagine: Shutterstock.com/sakkmesterke

Studiul a fost publicat pe 5 maicel chestiune de Natura electronică. Co-autori conducători ai lucrării de cercetare includ cercetătorul postdoctoral Arnab Bose și studenții doctoranzi Rakshit Jain și Nathaniel Schreiber.

Timp de zeci de ani, fizicienii au încercat să modifice alinierea spinurilor electronilor din materialele magnetice influențându-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 studiului, au căutat să folosească curenții de spin transportați de electroni, care există atunci când electronii au spini orientați în mod normal într-o singură direcție. .

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

Echipa lui Ralph s-a concentrat pe descoperirea modalităților de reglare a direcției de spin în curenții de spin prin producerea acestora folosind materiale antiferomagnetice. Fiecare spin de electroni din antiferomagneți indică în direcția opusă, deci nu există magnetizare netă.

În esență, ordinea antiferomagnetică poate reduce simetriile probelor suficient pentru a permite existența unor orientări neconvenționale ale curentului de spin. Mecanismul antiferomagnet pare să ofere, de asemenea, o modalitate de a obține curenți de spin destul de puternici.

Dan Ralph, autorul principal al studiului și profesor de fizică FR Newman, Colegiul de Arte și Științe, Universitatea Cornell

Cercetătorii au testat dioxidul de ruteniu antiferomagnetic și au evaluat modul în care curenții săi de spin au schimbat magnetizarea într-un strat subțire dintr-un aliaj magnetic nichel-fier cunoscut sub numele de Permalloy, care este un feromagnetic moale. Pentru a mapa diferitele componente ale cuplului, ei au calculat efectele acestora pe o gamă de unghiuri de câmp magnetic.

La început nu știam ce vedem. A fost complet diferit de ceea ce am văzut înainte și ne-a luat mult timp să ne dăm seama ce este. În plus, aceste materiale sunt greu de integrat în dispozitivele de memorie, iar speranța noastră este să găsim alte materiale care să prezinte un comportament similar care să poată fi integrate cu ușurință.

Rakshit Jain, co-autor principal al studiului și doctorand, Universitatea Cornell

Oamenii de știință au descoperit în cele din urmă un mecanism cunoscut sub numele de „divizare a spinării dependentă de impuls”, care este unic pentru oxidul de ruteniu și alți antiferomagneți din aceeași categorie.

„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.” spuse Ralph.

Stările electronice spin-up și spin-down au în esență dependențe diferite. Odată ce începeți să aplicați câmpuri electrice, aceasta vă oferă imediat o modalitate de a genera curenți puternici de spin, deoarece electronii care se rotesc în sus și în jos reacționează diferit. Deci, puteți accelera unul dintre ele mai mult decât celălalt și puteți obține un curent de rotație puternic în acest fel.

Dan Ralph, autorul principal al studiului și profesor de fizică FR Newman, Colegiul de Arte și Științe, Universitatea Cornell

Acest mecanism a fost teoretizat, dar nu a fost documentat înainte. Când structura cristalină a antiferomagnetului este aliniată corespunzător în cadrul dispozitivelor, mecanismul permite curentului de rotație să se încline la un unghi care poate permite o comutare magnetică mai eficientă în comparație cu alte interacțiuni spin-orbita.

În prezent, echipa lui Ralph speră să găsească o modalitate de a crea antiferomagneți în care să poată regla structura domeniului, adică regiunile în care momentele magnetice ale electronilor sunt orientate în aceeași direcție și să examineze fiecare domeniu separat, care este dificil deoarece domeniile sunt în general mixte.

În timp util, abordarea oamenilor de știință ar putea duce la progrese în tehnologiile care integrează memoria magnetică cu acces aleatoriu.

Speranța ar fi să se realizeze dispozitive de memorie magnetică nevolatile, foarte eficiente, foarte dense, care să îmbunătățească dispozitivele de memorie din siliciu existente. Asta ar permite o schimbare reală a modului în care se face memoria în computere, deoarece ai avea ceva cu o rezistență în esență infinită, foarte dens, foarte rapid, iar informațiile rămân chiar dacă alimentarea este oprită. Nu există nicio amintire de a fi făcut asta în aceste zile.

Dan Ralph, autorul principal al studiului și profesor de fizică FR Newman, Colegiul de Arte și Științe, Universitatea Cornell

Co-autorii studiului includ fostul cercetător postdoctoral Ding-Fu Shao; Hari Nair, profesor asistent de cercetare de știința materialelor și inginerie; doctoranzi Jiaxin Sun și Xiyue Zhang; Evgeny Tsymbal de la Universitatea din Nebraska; David Muller, Samuel B. Eckert profesor de inginerie; și Darrell Schlom, Herbert Fisk Johnson profesor de chimie industrială.

Studiul a fost susținut de Departamentul de Energie al SUA, Centrul Cornell pentru Cercetarea Materialelor (CCMR), cu sprijin financiar din partea Fundației Naționale de Știință Centrul pentru Știința Materialelor și Programul de Cercetare în Inginerie, Analiza și Descoperirea Materialelor de Interfață (PARADIM), Gordon și inițiativa EPiQS a Fundației Betty Moore, Platforma pentru Realizare Accelerată susținută de NSF și programul de cercetare a instrumentelor majore NSF.

Dispozitivele au fost fabricate folosind facilitățile comune ale CCMR și ale Cornell NanoScale Science and Technology Facility.

Referința revistei:

Bose, A. si altii. (2022) Curentul înclinat în rotație generat de dioxidul de ruteniu antiferomagnetic coliniar. Natura electronică. doi.org/10.1038/s41928-022-00744-8.

Sursa: https://cornell.edu

Add Comment