Forskere opdager nyt magnetisk element

En ny eksperimentel opdagelse, ledet af forskere ved University of Minnesota, viser, at det kemiske element ruthenium (Ru) er det fjerde enkeltelement, der har unikke magnetiske egenskaber ved stuetemperatur. Opdagelsen kunne bruges til at forbedre sensorer, enheder i computerens hukommelse og logikindustri, eller andre enheder, der bruger magnetiske materialer.

Anvendelse af ferromagnetisme, eller den grundlæggende mekanisme, hvormed visse materialer (såsom jern) danner permanente magneter eller tiltrækkes af magneter, når helt tilbage til oldtiden, hvor lodestone blev brugt til navigation. Siden er det kun fundet tre elementer på det periodiske system, der er ferromagnetiske ved stuetemperatur - jern (Fe), kobolt (Co), og nikkel (Ni). Det sjældne jordelement gadolinium (Gd) savner næsten kun 8 grader Celsius.

Magnetiske materialer er meget vigtige i industrien og moderne teknologi og er blevet brugt til grundlæggende undersøgelser og i mange daglige applikationer såsom sensorer, elektriske motorer, generatorer, harddiskmedier, og senest spintroniske minder. Da tyndfilmvæksten er forbedret i løbet af de sidste årtier, så har evnen til at kontrollere strukturen af ​​krystalgitter - eller endda tvinge strukturer, der er umulige i naturen. Denne nye undersøgelse viser, at Ru kan være det fjerde enkeltelement ferromagnetiske materiale ved at bruge ultratynde film til at tvinge den ferromagnetiske fase.

Detaljerne i deres arbejde er offentliggjort i det seneste nummer af Naturkommunikation . Hovedforfatteren til papiret er en nylig University of Minnesota Ph.D. kandidat Patrick Quarterman, som er et National Research Council (NRC) postdoktor ved National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Magnetisme er altid fantastisk. Det viser sig igen. Vi er begejstrede og taknemmelige over at være den første gruppe, der eksperimentelt demonstrerede og tilføjede det fjerde ferromagnetiske element ved stuetemperatur til det periodiske system, "sagde University of Minnesota Robert F. Hartmann, professor i elektrisk og computerteknik, Jian-Ping Wang, den tilsvarende forfatter til papiret og Quartermans rådgiver.

"Dette er et spændende, men hårdt problem. Det tog os cirka to år at finde den rigtige måde at dyrke dette materiale og validere det. Dette arbejde vil få magnetisk forskningssamfund til at undersøge grundlæggende aspekter af magnetisme for mange kendte elementer, "Tilføjede Wang.

Andre medlemmer af teamet understregede også vigtigheden af ​​dette arbejde.

"Evnen til at manipulere og karakterisere stof i atomskala er grundstenen i moderne informationsteknologi, "sagde studieforfatter Paul Voyles, en Beckwith-Bascom professor og formand for Institut for Materialevidenskab og Teknik ved University of Wisconsin-Madison. "Vores samarbejde med University of Minnesota Professor Wangs gruppe viser, at disse værktøjer kan finde nye ting selv i de enkleste systemer, bestående af et enkelt element. "

Industripartnere er enige om, at samarbejde er nøglen til innovation

"Intel er glad for det langsigtede forskningssamarbejde, det har med University of Minnesota og C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Grænseflader, og nye arkitekturer], sagde Ian A. Young, Senior stipendiat og direktør hos Intel Corporation. "Vi er begejstrede for at dele denne udvikling, der er muliggjort ved at undersøge opførsel af kvanteeffekter i materialer, som kan give indsigt i innovative energieffektive logik- og hukommelsesenheder. "Andre brancheledere er enige om, at denne opdagelse vil have indflydelse på halvlederindustrien.

"Spintronic -enheder har en hastigt stigende betydning for halvlederindustrien, "sagde Todd Younkin, direktøren for Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) -sponsorerede konsortier hos Semiconductor Research Corporation (SRC). "Grundlæggende fremskridt i vores forståelse af magnetiske materialer, som dem, der blev demonstreret i denne undersøgelse af professor Wang og hans team, er afgørende for at realisere fortsatte gennembrud inden for computerydelse og effektivitet. "

Nye teknologier kræver nye materialer

Magnetisk optagelse er stadig den dominerende spiller inden for datalagringsteknologi, men magnetisk baseret tilfældig adgangshukommelse og computing begynder at tage sin plads. Disse magnetiske minder og logiske enheder sætter yderligere begrænsninger på de magnetiske materialer, hvor data gemmes og beregnes, sammenlignet med traditionelle harddiskmediemagnetiske materialer. Dette skub for nye materialer har ført til fornyet interesse for forsøg på at realisere forudsigelser, der viser, at under de rigtige betingelser, ikke-ferromagnetiske materialer, såsom Ru, palladium (Pd) og osmium (Os) kan blive ferromagnetiske.

Bygger på de etablerede teoretiske forudsigelser, forskere ved University of Minnesota brugte frølagsteknik til at tvinge den tetragonale fase af Ru, som foretrækker at have en sekskantet konfiguration, og observerede det første tilfælde af ferromagnetisme i et enkelt element ved stuetemperatur. Krystalstrukturen og de magnetiske egenskaber blev omfattende karakteriseret ved at samarbejde med University of Minnesota's Characterization Facility og kolleger ved University of Wisconsin.

Forskerne sagde, at denne undersøgelse åbner døren til grundlæggende undersøgelser af denne nye ferromagnetiske Ru. Set fra et applikationsperspektiv, Ru er interessant, fordi den er resistent over for oxidation, og yderligere teoretiske forudsigelser hævder, at den har en høj termisk stabilitet - et vigtigt krav til skalering af magnetiske minder. Undersøgelse af denne høje termiske stabilitet er fokus for igangværende forskning ved University of Minnesota.