Brug af hydrogenioner til at manipulere magnetisme på molekylær skala

Et team af forskere fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) og det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har bestemt, hvordan man bruger hydrogenioner, "pumpet" fra vand i luften ved stuetemperatur, til elektrisk at kontrollere magnetisme inden for en meget tynd prøve af et magnetisk materiale. Denne tilgang til manipulation af magnetiske egenskaber kan fremskynde fremskridt inden for computing, sensorer, og andre teknologier.

Forskningen, beskrevet i den 12. november, 2018, online udgave af Naturmaterialer , blev delvist udført på Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Målingerne, taget ved NSLS-II's Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) beamline, var kritiske for at afsløre den involverede mikroskopiske mekanisme, især hydrogenionernes tilstedeværelse i prøven og deres rolle i ændringerne af prøvens magnetiske struktur.

Mod mainstream spintronics

Blandt de mange mulige anvendelser af denne forskning er dens potentiale til at blive en ny platform for udviklingen af ​​spintronics, enheder, der ikke kun er baseret på elektronisk opladning, men også elektronisk spin, den indbyggede egenskab af en elektron, der får den til at fungere som en lille magnet.

I modsætning til standardelektronik, som er afhængige af komplementær metaloxidhalvleder (CMOS) teknologi (bruges til at lave hver af milliarder af transistorer i en mikrochip), spintronic -enheder er bygget på magnetiske materialer, som indeholder magnetiske atomer såsom jern eller mangan. Spintronics -enheder kan bevare deres magnetiske egenskaber uden konstant strømforsyning, i modsætning til standard mikrochips, og, fordi de genererer betydeligt mindre varme, er mere energieffektive.

"Når CMOS -teknologier nærmer sig slutningen af ​​deres køreplan, spin-baserede enheder forfølges i vid udstrækning i tiden uden for CMOS, "sagde undersøgelsens hovedforsker, MIT's Geoffrey Beach, professor i materialevidenskab og teknik og meddirektør for MIT Materials Research Laboratory. "Et af kravene til at bringe spintronics ind i mainstream er en effektiv måde at elektrisk styre magnetisme på. vi forsøger at lave en magnetisk analog af en transistor. "

En tilgang til at opnå denne kontrol er ved at indsætte ioner i strukturen, der kan bevæge sig mellem lagene og modulere dens elektromagnetiske adfærd. Dette kaldes magneto-ionisk switching. Forskere har allerede givet nogle lovende resultater, men de typer ioner, der blev brugt i tidligere undersøgelser, forårsagede flere problemer, end de løste. I dette studie, holdet var i stand til at afhjælpe nogle af disse problemer ved hjælp af hydrogenioner (H+), som er relativt uskadelige og også de mindst mulige ioner, hvilket gør dem ideelle til at fremkalde hurtige elektriske feltdrevne ændringer i solid-state strukturer.

"Magneto-ionisk omskiftning er en vigtig vej mod elektrisk manipulerende magnetisme ved lav effekt, "sagde lead Brookhaven -forsker Wen Hu, en beamline -forsker ved CSX -beamline. "Hydrogen-ion-migration, styret af elektriske spændinger, spiller en nøglerolle i denne forskning og kan potentielt føre til nye applikationer til spintronic -enheder. "

Røntgenbilleder bekræfter protonpumpen

Forskerne demonstrerede brugen af ​​hydrogenioner til reversibel magneto-ionisk kobling i en lagdelt struktur bestående af en platinbase, kobolt, palladium, gadoliniumoxid, og en guldkontakt for at afslutte det. Palladium (Pd) er kendt for sin evne til at lagre brint i "krogene" af dets atomgitter. Placering af en spænding på tværs af prøven, og skiftevis mellem en positiv og negativ spænding, kan pumpe brint ind og ud af Pd -laget, skifte magnetismen frem og tilbage fra plan uden for fly til plan. Det er første gang, at forskere har demonstreret reversibel "hydrering" af et tungmetal.

For at kontrollere, at hydrogenet blev indsat i Pd -laget, gruppen udførte røntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) ved CSX-strålelinjen. CSX tilbyder forskere state-of-the-art bløde røntgensprednings- og billeddannelsesværktøjer, og blev designet til at studere kompositmaterialers elektroniske tekstur og adfærd. Med XAS, forskere kan bestemme den lokale elektroniske struktur omkring specifikke elementer i deres prøve-endda opdage meget små ændringer-på grund af røntgenstrålens afstembare karakter.

"Vi udførte XAS-målinger med en meget lille røntgenstråle (ca. 100 mikron) for at sigte mod den aktive del af den konstruerede struktur. Vi observerede et tydeligt skift i Pd-spektret, når vi ændrede spændingen på prøven, hvilket var et tegn på transformationen af ​​Pd til PdH, "sagde Claudio Mazzoli, ledende beamline -videnskabsmand ved CSX beamline. "Disse målinger gav direkte bevis på, at den mikroskopiske mekanisme sker dybt inde i prøven. Således vi ved nu, at indsættelsen af ​​brint i enheden er forklaringen på ændringerne i prøvens magnetiske egenskaber, som detekteres ved laboratoriemålinger. "

"Dette er en meget ny og unik metode, og det åbner op for en helt ny måde at modulere magnetfelter i solid state -enheder på, potentielt påvirkende spintronic -applikationer, "sagde Hu.