Magnetoelektrisk materiale viser løfte som hukommelse for elektronik

Vores smartphones og computere ville ikke være nær så nyttige uden alle apps, musik, og videoer, vi beholder på dem.

I øjeblikket, vores enheder gemmer denne information primært på to forskellige måder:enten gennem elektriske felter (tænk på et flashdrev) eller gennem magnetiske felter (tænk på en computers harddisk).

Hver har sine fordele og ulemper. Imidlertid, i fremtiden, vores elektronik kunne drage fordel af det bedste af hver.

"Der er et interessant koncept, " siger Chang-Beom Eom, Theodore H. Geballe Professor og Harvey D. Spangler Distinguished Professor i materialevidenskab og teknik ved University of Wisconsin-Madison. "Kan du krydskoble disse to forskellige måder at lagre information på? Kan vi bruge et elektrisk felt til at ændre de magnetiske egenskaber? Så kan du have en lav-effekt, multifunktionel enhed. Vi kalder dette en 'magnetoelektrisk' enhed."

I forskning offentliggjort 17. november, 2017, i journalen Naturkommunikation , Eom og hans samarbejdspartnere beskriver ikke kun deres unikke proces til fremstilling af et magnetoelektrisk materiale af høj kvalitet, men præcis hvordan og hvorfor det virker. Wittawat Saenrang er hovedforfatter af papiret.

Magnetoelektriske materialer - som har både magnetiske og elektriske funktioner, eller "ordrer" - findes allerede. Skift af en funktionalitet inducerer en ændring i den anden. "Det kaldes krydskobling, " siger Eom. "Alligevel, hvordan de krydser par er ikke klart forstået."

At opnå den forståelse, han siger, kræver at studere, hvordan de magnetiske egenskaber ændres, når et elektrisk felt påføres. Indtil nu, dette har været vanskeligt på grund af den komplicerede struktur af de fleste magnetoelektriske materialer.

I fortiden, siger Eom, mennesker studerede magnetoelektriske egenskaber ved hjælp af meget "komplekse" materialer, eller dem, der mangler ensartethed.

I sin tilgang, Eom forenklede i høj grad ikke kun forskningen, men selve materialet.

Ud fra hans ekspertise inden for materiel vækst, han udviklede en unik proces, ved hjælp af atomare "trin, "at vejlede væksten af ​​en homogen, enkelt-krystal tynd film af bismuth ferrit. Ovenpå det, han tilføjede kobolt, som er magnetisk; på bunden, han placerede en strontiumruthenatelektrode.

Det homogene, enkeltkrystalmateriale var vigtigt, fordi det gjorde det meget lettere for Eom at studere den fundamentale magnetoelektriske krydskobling. "Vi fandt ud af, at i vores arbejde, på grund af vores enkelt domæne, vi kunne faktisk se, hvad der foregik ved at bruge flere sonder, eller billeddannelse, teknikker, " siger han. "Mekanismen er iboende. Det er reproducerbart - og det betyder, at du kan lave en enhed uden nogen forringelse, på en forudsigelig måde."

For at afbilde de skiftende elektriske og magnetiske egenskaber i realtid, Eom og hans kolleger brugte de kraftige synkrotronlyskilder på Argonne National Laboratory og i Schweiz og Storbritannien. "Når du skifter den, det elektriske felt skifter den elektriske polarisering. Hvis det er "nedadgående, ' den skifter 'opad, '" siger han. "Koblingen til det magnetiske lag ændrer derefter dets egenskaber:en magnetoelektrisk lagerenhed."

Denne retningsændring gør det muligt for forskere at tage de næste skridt, der er nødvendige for at tilføje programmerbare integrerede kredsløb - byggestenene, der er grundlaget for vores elektronik - til materialet.

Mens det homogene materiale gjorde det muligt for Eom at besvare vigtige videnskabelige spørgsmål om, hvordan magnetoelektrisk krydskobling sker, det kunne også gøre det muligt for producenterne at forbedre deres elektronik. "Nu kan vi designe en meget mere effektiv, effektiv og laveffekt enhed, " han siger.