Ny forskning udvikler spintronics -teknologien

Ingeniører ved University of California, Riverside, har rapporteret fremskridt inden for såkaldte "spintronic" -enheder, der vil hjælpe med at føre til en ny teknologi til computing og datalagring. De har udviklet metoder til at detektere signaler fra spintronic-komponenter fremstillet af billige metaller og silicium, som overvinder en stor barriere for bred anvendelse af spintronics. Tidligere var sådanne anordninger afhængige af komplekse strukturer, der brugte sjældne og dyre metaller, såsom platin. Forskerne blev ledet af Sandeep Kumar, en adjunkt i maskinteknik.

Spintronic -enheder lover at løse store problemer i nutidens elektroniske computere, ved at computerne bruger enorme mængder elektricitet og genererer varme, der kræver at bruge endnu mere energi til køling. Derimod, spintronic -enheder genererer lidt varme og bruger relativt små mængder elektricitet. Spintronic -computere ville ikke kræve energi til at bevare data i hukommelsen. De ville også starte med det samme og have potentiale til at være langt mere kraftfulde end nutidens computere.

Mens elektronik afhænger af ladningen af ​​elektroner til at generere de binære eller nuller af computerdata, spintronics afhænger af elektronens egenskab kaldet spin. Spintronic -materialer registrerer binære data via elektronernes "op" eller "ned" spin -orientering - som nord og syd for stangmagneter - i materialerne. En stor barriere for udvikling af spintronics -enheder er at generere og detektere de uendelige små elektriske spinsignaler i spintronic -materialer.

I et papir offentliggjort i januarnummeret af det videnskabelige tidsskrift Anvendt fysik bogstaver , Kumar og kolleger rapporterede om en effektiv teknik til at detektere spinstrømmene i en simpel to-lags sandwich af silicium og en nikkel-jernlegering kaldet Permalloy. Alle tre komponenter er både billige og rigelige og kan danne grundlag for kommercielle spintronic -enheder. De fungerer også ved stuetemperatur. Lagene blev skabt med de meget anvendte elektroniske fremstillingsprocesser kaldet sputtering. Medforfattere af papiret var kandidatstuderende Ravindra Bhardwaj og Paul Lou.

I deres eksperimenter, forskerne opvarmede den ene side af Permalloy-silicium to-lags sandwich for at skabe en temperaturgradient, som genererede en elektrisk spænding i tolaget. Spændingen skyldtes et fænomen kendt som spin-Seebeck-effekten. Ingeniørerne fandt ud af, at de kunne detektere den resulterende "spin-strøm" i bi-laget på grund af et andet fænomen kendt som "invers spin-Hall-effekten".

Forskerne sagde, at deres fund vil have anvendelse på effektiv magnetisk omskiftning i computerhukommelser, og "disse videnskabelige gennembrud kan give impuls" til udvikling af sådanne enheder. Mere generelt, de konkluderede, "Disse resultater bringer det allestedsnærværende Si (silicium) i spidsen for spintronics -forskning og vil lægge grundlaget for energieffektive Si spintronics og Si spin caloritronics -enheder."

I to andre videnskabelige artikler har forskerne demonstrerede, at de kunne generere en nøgleegenskab for spintronics -materialer, kaldet antiferromagnetisme, i silicium. Præstationen åbner en vigtig vej til kommerciel spintronics, sagde forskerne, i betragtning af at silicium er billigt og kan fremstilles ved hjælp af en moden teknologi med en lang anvendelse inden for elektronik.

Ferromagnetisme er egenskaben for magnetiske materialer, hvor atomernes magnetiske poler er justeret i samme retning. I modsætning, antiferromagnetisme er en egenskab, hvor de nærliggende atomer er magnetisk orienteret i modsatte retninger. Disse "magnetiske øjeblikke" skyldes elektronernes spin i atomerne, og er central for anvendelsen af ​​materialerne i spintronics.

I de to papirer, Kumar og Lou rapporterede, at de opdagede antiferromagnetisme i de to typer silicium-kaldet n-type og p-type-anvendt i transistorer og andre elektroniske komponenter. Halvleder-silicium af N-typen "dopes" med stoffer, der får den til at have en overflod af negativt ladede elektroner; og silicium af p-typen er dopet til at have en stor koncentration af positivt ladede "huller". Kombination af de to typer gør det muligt at skifte strøm i sådanne enheder som transistorer, der bruges i computerhukommelser og anden elektronik.

I papiret i Journal of Magnetism and Magnetic Materials , Lou og Kumar rapporterede at de opdagede spin-Hall-effekten og antiferromagnetisme i n-silicium. Deres eksperimenter brugte en flerlags tynd film omfattende palladium, nikkel-jern Permalloy, manganoxid og n-silicium.

Og i det andet papir, i det videnskabelige tidsskrift physica status solidi , de rapporterede at detektere sp-drevet antiferromagnetisme i p-silicium og en overgang af silicium mellem metal- og isolatoregenskaber. Disse eksperimenter brugte en tynd film svarende til dem med n-silicium.

Forskerne skrev i sidstnævnte artikel, at "Den observerede antiferromagnetiske adfærd kan lægge grundlaget for Si (silicium) spintronics og kan ændre ethvert felt, der involverer Si tynde film. Disse eksperimenter præsenterer også potentiel elektrisk styring af magnetisk adfærd ved hjælp af simpel halvlederelektronikfysik. Den observerede store ændring i modstand og dopingafhængighed af fasetransformation tilskynder til udvikling af antiferromagnetiske og faseændrende spintronik -enheder. "

I yderligere undersøgelser, Kumar og hans kolleger udvikler teknologi til at tænde og slukke spinstrømme i materialerne, med det ultimative mål at skabe en spin -transistor. De arbejder også på at generere større, spintronic chips med højere spænding. Resultatet af deres arbejde kan være ekstremt lav effekt, kompakte sendere og sensorer, samt energieffektiv datalagring og computerhukommelser, sagde Kumar.