Elektrisk manipulation af magnetiske partikler muliggør stor højhastighedshukommelse

Forskere har med succes demonstreret en metode til at skifte et nyt materiale mellem to forskellige ikke -flygtige tilstande ved meget høje hastigheder og med stor nøjagtighed. De fysiske komponenter i den pågældende enhed er betydeligt robuste mod ydre påvirkninger, såsom magnetiske felter. Disse fund kan føre til en hukommelsesenhed med høj hastighed og høj kapacitet med høj energieffektivitet.

I 1929, teoretisk fysiker Hermann Weyl udforskede den nyligt afledte Dirac -ligning, som beskriver mange ting i partikelfysik og førte til opdagelsen af ​​antimateriale. Han bemærkede, at ligningen indebar eksistensen af ​​en masseløs partikel, som blev kendt som Weyl fermion. Dette blev engang antaget at være elementarpartiklen neutrinoen. Næsten et århundrede senere, i 2015, Weyl fermion blev endelig opdaget i virkeligheden, og i årene siden, fysikere er begyndt ikke kun at forstå, det, men for at finde potentielle anvendelser til det. Et team med forskere fra laboratoriet ledet af professor Satoru Nakatsuji ved Institute for Solid State Physics og Department of Physics ved University of Tokyo fandt en måde at bruge Weyl fermions til at lave avancerede hukommelsesenheder.

"Spintronics er et ord, der sandsynligvis vil ophidse dem, der er interesseret i teknologiens fremtid. det er noget, der kan erstatte og erstatte mange elektroniske funktioner i nutidige enheder, "forklarede forskningsassistent Tomoya Higo." I et stykke tid nu, ferromagnetiske materialer, magneter, der opfører sig på en kendt måde, er blevet brugt til at udforske spintroniske fænomener. Men der er en bedre klasse af magnetiske materialer til dette formål kaldet antiferromagnetiske materialer, som synes sværere at arbejde med, men har mange fordele. "

Antiferromagneter er interessante materialer, fordi de tilbyder forskere mange nyttige egenskaber, som ferromagnetiske materialer tilbyder, men de er mindre udsat for eksterne magnetfelter på grund af et unikt arrangement af deres bestanddele. Dette er en fordel, når du arbejder mod hukommelsesenheder, da nøjagtighed og robusthed er vigtige, men dette særlige arrangement gør det også sværere at manipulere materialet efter behov.

"Det var slet ikke indlysende, om du kan styre en antiferromagnetisk tilstand med en simpel elektrisk puls, ligesom du kan en ferromagnetisk, "sagde Nakatsuji.

Det er her, Weyl fermionerne kommer ind. "I vores prøve (antiferromagnetisk mangan-tinlegering Mn ₃ Sn), Weyl fermioner findes på Weyl -punkter i momentumrum (ikke et fysisk rum, men en matematisk måde at repræsentere momentum af partikler i et system). Disse Weyl -punkter har to mulige tilstande, der kan repræsentere binære cifre, "forklarede postdoktor Hanshen Tsai." Vores gennembrudsfund er, at vi kan skifte et Weyl -punkt mellem disse tilstande med en ekstern elektrisk strøm påført tilstødende tynde lag af Mn3Sn og enten platin eller wolfram. Denne metode kaldes spin-orbit-momentomskiftning. "

"Vores opdagelse indikerer, at den masseløse Weyl fermion, som fysikere forfølger, er fundet i vores magnet, og desuden kan manipuleres elektrisk, "tilføjede Nakatsuji.

Takket være et meget stort signal fra Weyl fermions i Mn ₃ Sn, detektering af spin-orbit drejningsmomentskift er mulig. Omskiftningshastigheden, der svarer til, hvor hurtig hukommelse baseret på sådan teknologi kunne skrives til eller læses fra, ligger i området billioner gange i sekundet, eller terahertz. Nuværende high-end computerhukommelse skifter et par milliarder gange i sekundet, eller gigahertz. Så, når det blev indset, det kan føre til et stort spring i ydeevnen, men der er stadig en vej at gå.

"Der var to store udfordringer i vores undersøgelse. Den ene var at optimere syntesen af ​​Mn ₃ Sn tynde film. Den anden var at finde ud af koblingsmekanismen, "sagde Higo." Vi er begejstrede, ikke kun fordi vi fandt nogle interessante fænomener, men fordi vi kan forvente, at vores fund kan have vigtige anvendelser i fremtiden. Ved at skabe nye materialer, vi opdager nye fænomener, der kan føre til nye enheder. Vores forskning er fuld af drømme. "

Undersøgelsen er offentliggjort i Natur .