Forskere vender scriptet om magnetocapacitance

Kondensatorer, elektroniske komponenter, der gemmer og hurtigt frigiver en opladning, spiller en vigtig rolle i mange typer elektriske kredsløb. De spiller en lige så vigtig rolle i næste generations spintronic-enheder, som drager fordel af ikke kun elektronladning, men også spin - det lille magnetiske øjeblik for hver elektron.

To år siden, et internationalt team af forskere viste, at ved at manipulere elektron -spin ved et kvantemagnetisk tunnelingskryds - en nanoskala sandwich lavet af to metalelektroder med en isolator i midten - kunne de fremkalde en stor stigning i krydsets kapacitans.

Nu, at det samme forskerhold har vendt manuskriptet til fænomenet, kendt som magnetokapacitans. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Videnskabelige rapporter , de viser, at ved at bruge forskellige materialer til at bygge et kvantetunnelkryds, de var i stand til at ændre kapacitans ved at manipulere spins på den modsatte måde fra "normal" magnetokapacitans. Denne omvendte effekt, siger forskerne, tilføjer endnu et potentielt nyttigt fænomen til spintronics -værktøjssættet.

"Det giver os mere parameterplads til at designe enheder, "sagde Gang Xiao, formand for fysikafdelingen i Brown og en af ​​papirets medforfattere. "Nogle gange kan normal kapacitans være bedre; nogle gange kan den inverse være bedre, afhængigt af applikationen. Dette giver os en smule mere fleksibilitet. "

Magnetokondensatorer kan være særligt nyttige, Xiao siger, ved fremstilling af magnetiske sensorer til en række forskellige spintroniske enheder, herunder computerharddiske og næste generations hukommelseschips med random access.

Forskningen var et samarbejde mellem Xiaos laboratorium i Brown, laboratoriet for Hideo Kaiju og Taro Nagahama ved Japans Hokkaido University og laboratoriet for Osamu Kitakami ved Tohoku University.

Xiao har undersøgt magnetiske tunnelingskryds i flere år. De små kryds kan fungere på nogenlunde samme måde som kondensatorer i standardkredsløb. Isolatoren mellem de to ledende elektroder bremser den frie strøm af strøm over krydset, skabe modstand og et andet fænomen, kapacitans.

Men det, der gør tunnelingskryds særligt interessante, er, at mængden af ​​kapacitans kan ændres dynamisk ved at manipulere elektronernes spind i de to metalelektroder. Elektroderne er magnetiske, hvilket betyder, at elektroner, der snurrer inden i hver elektrode, peger i en bestemt retning. Den relative centrifugeringsretning mellem to elektroder bestemmer, hvor meget kapacitans der er til stede ved krydset.

I deres første arbejde med dette fænomen, Xiao og forskergruppen viste, hvor stor ændringen i kapacitans kunne være. Ved hjælp af elektroder fremstillet af jern-kobolt-bor, de viste, at ved at vende spins fra anti-parallel til parallel, de kunne øge kapacitansen i forsøg med 150 procent. Baseret på disse resultater, teamet udviklede en teori, der forudsagde, at under ideelle forhold, ændringen i kapacitans kan faktisk gå så højt som 1, 000 procent.

Teorien foreslog også, at brug af elektroder fremstillet af forskellige metaltyper ville skabe en invers magnetokapacitans -effekt, en, hvor anti-parallelle spins skaber mere kapacitans end parallelle spins. Det er præcis, hvad de viste i denne seneste undersøgelse.

"Vi brugte jern til den ene elektrode og jernoxid til den anden, "Sagde Xiao." De to elektriske egenskaber er spejlbilleder af hinanden, derfor observerede vi denne inverse magnetokapacitans -effekt. "

Xiao siger, at resultaterne ikke kun tyder på et større parameterrum til brug af magnetokapacitans i spintronic -enheder, de giver også vigtig verifikation for den teori forskerne bruger til at forklare fænomenet.

"Nu ser vi, at teorierne passer godt til eksperimentet, så vi kan være sikre på at bruge vores teoretiske modeller til at maksimere disse effekter, enten den 'normale' effekt eller den inverse effekt, som vi har vist her, "Sagde Xiao.