Undersøgelse afslører afhængighed af spin -hukommelsestab i en række grænseflader

Forskere ved University of Twente og Beijing Normal University har for nylig gennemført en undersøgelse, der undersøger parameteren kendt som spin memory memory (SML) for en række forskellige grænseflader, ved hjælp af en kombination af teoretiske og beregningsmetoder. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , tilbyder værdifuld ny indsigt, der kan informere om designet af mere effektive grænseflader.

"Den hellige gral i vores studieretning er et nyt koncept inden for magnetisk hukommelseslagring, der ville være 100% elektronisk; dvs. potentielt hurtigere, tættere og mere pålidelige end nutidens harddiske (HDD), der udgør rygraden på internettet (f.eks. datagårde), og som er baseret på en mekanisk roterende magnetisk disk, hvor data tilgås af et læse-/skrivehoved, der kun svæver nanometer over den hurtigt roterende harddisk, "Paul Kelly, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Det nye koncept er baseret på noget, der kaldes spin Hall -effekten (SHE), som teoretisk blev forudsagt for 50 år siden, men først observeret i halvledere i 2004 og to år senere i metaller. "

Udover at have en afgift, elektroner har et spin, hvilket betyder, at de kan fungere som 'snurretoppe'. Tilknyttet dette spin er et magnetisk øjeblik. SHE er en direkte konsekvens af den relativistiske effekt kaldet spin-orbit coupling (SOC), som 'kobler', hvordan elektroner drejer (med eller mod uret) med, hvordan de bevæger sig rundt i atomer.

Som følge af denne effekt, når en ladestrøm passerer gennem en plade af et tungmetal som platin, den ophidser en drejestrøm i vinkel på ladestrømmen. Hvis platinen er i kontakt med et magnetisk materiale som jern, nikkel eller permalloy, en FeNi -legering, 'spin -strømmen' drives ind i dette tilgrænsende magnetiske materiale.

"Under de rigtige omstændigheder, denne centrifugeringsstrøm kan omorientere den retning, hvor det magnetiske moment peger:op er '1', ned er '0'; og vi har grundlaget for en ny type magnetisk hukommelse, "Forklarede Kelly." Det er her, vi kommer ind. "

Da Kelly fortsætter med at forklare, spin -strømmen bliver typisk forringet, når den passerer fra Pt -tråden til det magnetiske materiale, som ofte sker ved grænseflader mellem to forskellige materialer. Denne forringelse i nuværende, kendt som 'spin -hukommelsestab' (SML), har været i fokus for mange undersøgelser, herunder den udført af Kellys team, og alligevel ved man i øjeblikket meget lidt om det.

"Det, der hidtil er kendt om SML, er hentet fra lavtemperaturforsøg, der henviser til, at 99% af interessen er i det, der sker ved stuetemperatur, temperaturen af ​​betydning for mange applikationer, "Sagde Kelly." Vores forskning har været gearet til at kunne studere egenskaber som denne. "

Hovedformålet bag undersøgelsen udført af Kelly og hans kolleger var at studere SML og dets adfærd ved forskellige grænseflader og ved begrænsede temperaturer (hvor temperaturinducerede atomvibrationer og udsving i magnetiske øjeblikke er uundgåelige). Forskerne fokuserede på fire kombinationer af materialer, der typisk bruges, når de forsøger at udvikle en magnetisk hukommelseslagring, der er helt elektronisk.

I løbet af de sidste 20 år har Kelly og hans kolleger har udviklet computerkoder, der kan bruges til at studere transporten af ​​elektroner og spins (dvs. centrifugering) i komplekse materialer. Disse koder er baseret på at løse 'Schrödinger -ligningen' i kvantemekanikken i en form kaldet "spredningsteori", hvilket betyder, at elektronernes adfærd er i form af stofbølger.

"To vigtige trin i udviklingen af ​​disse koder var inklusion af relativistiske effekter, nemlig SOC og temperatur i form af temperaturinduceret gitter og spinforstyrrelse, "Sagde Kelly." Når temperaturen på et materiale stiger, de atomer, som materialet er sammensat af, vibrerer mere og mere; dette kaldes gitterforstyrrelse. Hvis materialet er ferromagnetisk, så roterer de magnetiske øjeblikke på atomerne væk fra deres oprindelige, ensartet orientering. "

Som et sidste trin i udviklingen af ​​kode til undersøgelse af spintransport gennem grænseflader, Kelly og hans kolleger brugte resultaterne af deres kvantemekaniske 'spredningsberegninger' til at beregne ladnings- og spinstrømme observeret af eksperimentelle. Denne proces gav dem i sidste ende mulighed for at studere SHE på grænseflader, samt nedbrydning af spinstrømme, når de passerer fra et materiale til et andet (dvs. SML).

"Den vigtigste forskel mellem vores undersøgelse og dem, der blev udført af andre forskerhold, er, at vi for længst har identificeret grænseflader som et centralt mål og fokuseret vores kodeudvikling på at kunne studere grænseflader mellem materialer, der har meget forskellige størrelser (dvs. gitterkonstanter). "sagde Kelly." Dette indebar omfattende brug af 'sparsomme matrixmetoder' for at kunne håndtere de enorme numeriske arrays, der skyldes at beskrive grænseflader realistisk. '

Kelly og hans kolleger var de første til at studere spintransport som funktion af temperaturen gennem realistiske grænseflader. Ud over at indføre numeriske værdier for parametre, der beskriver denne transport, de samlede værdifuld indsigt i, hvordan disse parametre varierer på tværs af forskellige grænseflader, samt deres afhængighed af de lidelser, de er ramt af.

I særdeleshed, forskerne observerede, at ikke -magnetiske grænseflader har en minimal temperaturafhængighed, mens grænseflader indeholdende ferromagneter er stærkt afhængige af temperaturen. De fandt også ud af, at SML var større for visse grænseflader, især når passagen mellem de forskellige materialer er mere abrupt (f.eks. Co/Pt -grænseflader).

Endelig, Kelly og hans kolleger fandt ud af, at SML kan forbedres betydeligt ved gitterfejl og grænseflade -legering. I fremtiden, de observationer og indsigt, de indsamlede, vil lede designet til mere effektive grænseflader med forskellige mulige applikationer.

"Som et næste trin, vi ønsker direkte at studere processen, hvorved en spin -strøm genereret af SHE i et tungmetal injiceres i forskellige andre materialer, ikke -magnetiske såvel som magnetiske, at få tættere kontakt med magnetisk hukommelse og relaterede nanodeapparater, "Sagde Kelly." Vi vil også undersøge egenskaberne ved de nye todimensionale van der Waals ferromagnetiske materialer, som kan have forskellige ladnings- og centrifugeringsegenskaber, og hvis 'grænseflader' formodes at spille en nøglerolle ved bestemmelsen af ​​deres magnetiske egenskaber. "

© 2020 Science X Network