Påvisning af meget højfrekvent magnetisk resonans kan revolutionere elektronikken

Et team af fysikere har opdaget en elektrisk detektionsmetode for terahertz elektromagnetiske bølger, som er ekstremt svære at opdage. Opdagelsen kan hjælpe med at minimere detektionsudstyret på mikrochips og øge følsomheden.

Terahertz er en enhed for elektromagnetisk bølgefrekvens:Et gigahertz er lig med 1 milliard hertz; 1 terahertz er lig med 1, 000 gigahertz. Jo højere frekvens, jo hurtigere overførsel af information. Mobiltelefoner, for eksempel, operere på et par gigahertz.

Fundet, rapporteret i dag i Natur , er baseret på et magnetisk resonansfænomen i anti-ferromagnetiske materialer. Sådanne materialer, også kaldet antiferromagneter, tilbyde unikke fordele til ultrahurtige og spin-baserede nanoskalaapplikationer.

Forskerne, ledet af fysikeren Jing Shi fra University of California, Riverside, genereret en spin -strøm, en vigtig fysisk mængde i spintronics, i en antiferromagnet og kunne registrere det elektrisk. For at opnå denne bedrift, de brugte terahertz -stråling til at pumpe op magnetisk resonans i chromia for at lette detekteringen.

I ferromagneter, såsom en stangmagnet, elektronspins peger i samme retning, op eller ned, giver dermed kollektiv styrke til materialerne. I antiferromagneter, atomarrangementet er sådan, at elektronspinnene annullerer hinanden, med halvdelen af ​​spinnene pegende i den modsatte retning af den anden halvdel, enten op eller ned.

Elektronen har et indbygget spin-vinkelmoment, som kan foregive den måde, en snurretop foregår omkring en lodret akse. Når elektronernes presession -frekvens matcher frekvensen af ​​elektromagnetiske bølger genereret af en ekstern kilde, der virker på elektronerne, magnetisk resonans forekommer og manifesteres i form af et stærkt forbedret signal, der er lettere at opdage.

For at generere sådan magnetisk resonans, teamet af fysikere fra UC Riverside og UC Santa Barbara arbejdede med 0,24 terahertz stråling produceret på Institute for Terahertz Science and Technology's Terahertz -faciliteter på Santa Barbara -campus. Dette matchede nøje elektronernes precessionsfrekvens i krom. Den magnetiske resonans, der fulgte, resulterede i generering af en spinstrøm, som forskerne konverterede til en jævnstrømsspænding.

"Vi var i stand til at demonstrere, at antiferromagnetisk resonans kan producere en elektrisk spænding, en spintronisk effekt, der aldrig er blevet eksperimentelt før, "sagde Shi, professor i Institut for Fysik og Astronomi.

Shi, der leder Institut for Energifinansieret Energy Frontier Research Center Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, eller SKINNER, ved UC Riverside, forklaret subterahertz og terahertz stråling er en udfordring at opdage. Nuværende kommunikationsteknologi bruger gigahertz mikrobølger.

"For højere båndbredde, imidlertid, tendensen er at bevæge sig mod terahertz mikrobølger, "Sagde Shi." Generationen af ​​terahertz -mikrobølger er ikke vanskelig, men deres opdagelse er. Vores arbejde har nu givet en ny vej til terahertz -detektion på en chip. "

Selvom antiferromagneter er statisk uinteressante, de er dynamisk interessante. Elektron -spin -recession i antiferromagneter er meget hurtigere end i ferromagneter, resulterer i frekvenser, der er to-tre størrelsesordener højere end ferromagnets frekvenser-hvilket muliggør hurtigere informationstransmission.

"Spindynamik i antiferromagneter forekommer på en meget kortere tidsplan end i ferromagneter, som giver attraktive fordele for potentielle ultrahurtige enhedsapplikationer, "Sagde Shi.

Antiferromagneter er allestedsnærværende og mere rigelige end ferromagneter. Mange ferromagneter, såsom jern og kobolt, blive antiferromagnetiske, når de oxideres. Mange antiferromagneter er gode isolatorer med lav energispredning. Shis laboratorium har ekspertise i fremstilling af ferromagnetiske og antiferromagnetiske isolatorer.

Shis team udviklede en dobbeltlagsstruktur bestående af krom, en antiferromagnetisk isolator, med et lag metal ovenpå det for at tjene som detektor til at registrere signaler fra krom.

Shi forklarede, at elektroner i chromia forbliver lokale. Det, der krydser grænsefladen, er information, der er kodet i elektronernes foregående spins.

"Interfacet er kritisk, "sagde han." Så er centrifugeringsfølsomheden. "

Forskerne behandlede spin -følsomhed ved at fokusere på platin og tantal som metaldetektorer. Hvis signalet fra chromia stammer fra spin, platin og tantal registrerer signalet med modsat polaritet. Hvis signalet skyldes varme, imidlertid, begge metaller registrerer signalet med identisk polaritet.

"Dette er den første succesrige generation og påvisning af rene spinstrømme i antiferromagnetiske materialer, som er et varmt emne inden for spintronics, "Sagde Shi." Antiferromagnetisk spintronik er et stort fokus for SHINES. "