Nyt håndtag til styring af elektromagnetiske egenskaber kunne muliggøre spintronisk databehandling

Materialeforskere ved Duke University har vist det første klare eksempel på, at et materiales overgang til en magnet kan kontrollere ustabilitet i dets krystallinske struktur, der får det til at skifte fra en leder til en isolator.

Hvis forskere kan lære at kontrollere denne unikke forbindelse mellem fysiske egenskaber identificeret i sekskantet jernsulfid, det kunne muliggøre nye teknologier såsom spintronic computing. Resultaterne vises 13. april i journalen Naturfysik .

Almindeligvis kendt som troilite, sekskantet jernsulfid kan findes naturligt på Jorden, men er mere udbredt i meteoritter, især dem, der stammer fra Månen og Mars. Sjældent stødt på i jordskorpen, de fleste troiliter på Jorden menes at stamme fra rummet.

På trods af sin relative sjældenhed, troilite er blevet studeret siden 1862 uden megen fanfare. En nylig teoretisk afhandling, imidlertid, antydet, at der muligvis er ny fysik på spil mellem temperaturerne på 289 og 602 grader Fahrenheit - det temperaturområde, hvor troilit bliver både magnetisk og en isolator.

"Avisen teoretiserede, at den måde, hvorpå atomerne skifter i deres krystallinske struktur, påvirker mineralets egenskaber gennem en ret kompliceret effekt, som ikke er set før, "sagde Olivier Delaire, lektor i maskinteknik og materialevidenskab, fysik og kemi hos Duke. "Det vigtigste aspekt er denne interaktion mellem magnetiske egenskaber og atomær dynamik, som er et emne, der ikke er blevet undersøgt meget før, men som åbner op for nye muligheder inden for computerteknologi."

For at komme til kernen af ​​materialets mærkelige adfærd, Delaire og hans kolleger henvendte sig til Haidong Zhou, assisterende professor i eksperimentel kondenseret stoffysik ved University of Tennessee, for den vanskelige opgave at dyrke perfekte krystaller af troilit. Forskerne tog derefter prøver til Oak Ridge National Laboratory og Argonne National Laboratory for at sprænge dem med neutroner og røntgenstråler, henholdsvis.

Når partikler som neutroner eller røntgenstråler preller af atomerne inde i et materiale, forskere kan tage denne spredningsinformation til at rekonstruere dens atomare struktur og dynamik. Fordi neutroner har deres eget indre magnetiske moment, de kan også afsløre retningen af ​​hvert atoms magnetiske spin. Men fordi neutroner interagerer svagt med atomer, røntgenstråler er også meget praktiske til at løse et materiales atomare struktur og atomare vibrationer i små krystaller. Forskerne sammenlignede resultaterne fra de to forskellige scanninger ved hjælp af kvantemekaniske modeller skabt på en supercomputer på Lawrence Berkeley National Laboratory for at sikre, at de forstod, hvad der skete.

Efter at have set de ændringer, der sker gennem troilites fasetransformationer, forskerne opdagede hidtil usete mekanismer på arbejde. Ved høje temperaturer, de magnetiske spins af troilitatomer peger i tilfældige retninger, gør materialet umagnetisk. Men når temperaturen falder til under 602 grader Fahrenheit, de magnetiske momenter retter sig naturligt ind, og en magnet fødes.

Justeringen af ​​disse magnetiske spins ændrer atomernes vibrationsdynamik. Det skift får hele den krystallinske atomstruktur til at deformeres lidt, hvilket igen skaber et båndgab, som elektroner ikke kan springe over. Dette får troilitten til at miste sin evne til at lede elektricitet.

"Dette er det første klare eksempel på, at justeringen af ​​magnetiske spins kan kontrollere ustabiliteten i et materiales krystalstruktur, " sagde Delaire. "Og fordi disse ustabiliteter fører til en forbindelse mellem krystallens magnetiske egenskaber og konduktivitetsegenskaber, dette er den type materiale, der er spændende i forhold til at muliggøre nye typer enheder. "

Evnen til at justere et materiales magnetiske tilstand ved at anvende elektriske strømme, og omvendt, ville være afgørende for realiseringen af ​​teknologier såsom spinelektronik, sagde Delaire. Kendt som spintronics for kort, dette nye felt søger at bruge en elektrons iboende spin og tilhørende magnetiske moment til at lagre og manipulere data. Kombineret med en elektrons traditionelle rolle i databehandling, dette ville gøre det muligt for computerprocessorer at blive tættere og mere effektive.

Gennem dette papir, Delaire og hans kolleger har identificeret de magnetiske kontroller af forvrængningsmekanismerne i krystalstrukturen, give forskere et håndtag til at manipulere det ene med det andet. Selvom dette håndtag i øjeblikket er baseret på temperaturændringer, Det næste skridt for forskere er at se på at anvende eksterne magnetfelter for at se, hvordan de kan påvirke materialets atomare dynamik.

Uanset om troilite bliver det nye silicium til næste generation af computerteknologi, Delaire siger, at det er en god lektion for hele feltet at finde denne unikke mekanisme i et så velkendt materiale.

"Det er overraskende, at selvom du har en forbindelse, der er forholdsvis enkel, du kan have denne smarte mekanisme, der kan ende med at muliggøre nye teknologier, " sagde Delaire. "På en måde, Det er et wakeup call, at vi er nødt til at genoverveje nogle af de mere simple materialer for at lede efter lignende effekter andre steder."