En elektrisk kontakt til magnetisme

NUS -fysikere har demonstreret styringen af ​​magnetisme i en magnetisk halvleder via elektriske midler, baner vejen for nye spintroniske enheder.

Halvledere er hjertet i informationsbehandlingsteknologier. I form af en transistor, halvledere fungerer som en switch for elektrisk ladning, gør det muligt at skifte mellem binære tilstande nul og en. Magnetiske materialer, på den anden side, er en væsentlig komponent til informationslagringsenheder. De udnytter elektronernes spin-frihedsgrad til at opnå hukommelsesfunktioner. Magnetiske halvledere er en unik klasse af materialer, der tillader styring af både den elektriske ladning og centrifugering, muligvis muliggør informationsbehandling og hukommelsesoperationer på en enkelt platform. Den vigtigste udfordring er at kontrollere elektronspin, eller magnetisering, ved hjælp af elektriske felter, på lignende måde styrer en transistor elektrisk ladning. Imidlertid, magnetisme har typisk svag afhængighed af elektriske felter i magnetiske halvledere, og effekten er ofte begrænset til kryogene temperaturer.

Et forskerhold ledet af prof Goki EDA fra Institut for Fysik og Institut for Kemi, og Center for avancerede 2-D-materialer, NUS, i samarbejde med professor Hidekazu KUREBAYASHI fra London Centre for Nanotechnology, University College London, opdagede, at magnetismen af ​​en magnetisk halvleder, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , viser usædvanlig stærk respons på påførte elektriske felter. Med elektriske felter anvendt, materialet viste sig at udvise ferromagnetisme (en tilstand, hvor elektronspin spontant justeres) ved temperaturer op til 200 K (-73°C). Ved sådanne temperaturer, ferromagnetisk orden er normalt fraværende i dette materiale.

Forskerne anvendte store elektriske felter på dette materiale ved at belægge det med et lag polymergel indeholdende opløste ioner. Når en spænding påføres polymergelen, et lag af ioner dannes ved materialets overflade, inducerer stærke elektriske felter og en høj tæthed af mobile elektroner i materialet. I fravær af disse mobile elektroner (dvs. når den påførte spænding er nul), ferromagnetisme forekommer kun under 61 K (-212°C). Denne kritiske temperatur, under hvilken ferromagnetisk orden fremkommer, er kendt som Curie-temperaturen. Over denne temperatur, spin-orienteringerne er randomiserede (paramagnetisk tilstand), gør magnetiske hukommelsesoperationer umulige. Når et elektrisk potentiale på nogle få volt påføres polymergelen, forskerne fandt ud af, at Curie -temperaturen steg med mere end 100 ° C. En sådan dramatisk stigning i Curie-temperaturen udløst af elektriske felter er usædvanlig i en magnetisk halvleder. Forskerne konkluderer, at de mobile elektroner induceret af ionerne er ansvarlige for den observerede magnetiske orden ved den højere temperatur.

Hovedforfatteren Dr. Ivan VERZHBITSKIY, en forsker i holdet sagde, "De mobile elektroner, der er til stede i materialet, hjælper med at transportere spininformationen fra et atomsted til et andet og etablere magnetisk orden, resulterer i en højere Curie-temperatur."

Driftstemperaturen for disse enheder er stadig langt under stuetemperatur, hvilket gør deres implementering i nuværende teknologier upraktisk. Imidlertid, holdet sigter mod at overvinde denne begrænsning i deres fremtidige forskning.

"Vi mener, at dette unikke fænomen, som vi observerede, ikke er begrænset til denne særlige forbindelse og kan forventes i andre relaterede materialesystemer. Med omhyggelig udvælgelse af materialer, det vil være muligt at udvikle enheder, der fungerer ved stuetemperatur, som kan føre til banebrydende nye teknologier, " tilføjede Prof Eda.