Forskere effektiviserer processen til styring af spindynamik

Markerer en stor bedrift inden for spintronics, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og Yale University har demonstreret evnen til at kontrollere spindynamikken i magnetiske materialer ved at ændre deres tykkelse. Studiet, udgivet i dag i Naturmaterialer , kan føre til mindre, mere energieffektive elektroniske enheder.

"I stedet for at søge efter forskellige materialer, der deler de rigtige frekvenser, vi kan nu ændre tykkelsen af ​​et enkelt materiale - jern, i dette tilfælde - for at finde et magnetisk medium, der muliggør overførsel af information på tværs af en enhed, "sagde Brookhaven -fysiker og hovedforsker Valentina Bisogni.

Traditionel elektronik er afhængig af en grundlæggende egenskab ved elektroner - ladning - for at overføre information. Men da elektrisk strøm strømmer gennem en enhed, det spreder varme, begrænse, hvordan små enheder kan designes uden risiko for overophedning og ofre ydeevne. For at imødekomme efterspørgslen efter mindre og mere avanceret elektronik, forskere ser på en alternativ tilgang baseret på en anden grundlæggende egenskab ved elektroner - spin. Ligesom opladning, spin kan bevæge sig gennem et materiale som en strøm. Forskellen er, at en ladestrøm består af elektroner, der fysisk bevæger sig, der henviser til, at i en spin "strøm, "Elektronerne bevæger sig ikke; snarere, de overdrager deres spin -retning til hinanden som at sende en stafet i et stafetløb - en der har en lang kæde af "løbere", der aldrig rent faktisk løber.

"Der er altid et behov for mere hukommelse eller lagerkapacitet i elektroniske enheder, og varmeafledning hindrer os i øjeblikket i at oprette enheder i mindre skala, "Bisogni sagde." At stole på spin i stedet for opladning reducerer overophedning i enheder betydeligt, så målet med spintronics er at realisere de samme enhedsfunktioner, eller bedre, der allerede er kendt inden for traditionel elektronik - uden ulemperne. "

Til dato, spin -dynamik er typisk blevet målt ved hjælp af neutronspredningsteknikker; imidlertid, denne metode kræver, at prøver undersøges i bulk (flere gram prøve på én gang). I virkelige applikationer, materialet skal skaleres ned til meget mindre størrelser.

"Det er meget svært at forudsige, hvordan visse materialer vil fungere i forskellige længder, "Bisogni sagde." Da mange elektroniske enheder består af en meget lille mængde materiale, det er vigtigt at studere, hvordan egenskaberne i en tynd film sammenligner med massen. "

For at løse dette videnskabelige spørgsmål, forskergruppen brugte en teknik kaldet resonant uelastisk røntgenspredning (RIXS) til at studere tynde film af jern så tynde som en nanometer. Selvom RIXS er veletableret inden for det videnskabelige område, denne undersøgelse er kun et af få eksempler, hvor forskere har brugt denne teknik til at studere spindynamik i så tyndt materiale. Præstationen blev muliggjort af de avancerede muligheder for Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) strålelinjen på National Synchrotron Light Source II (NSLS-II)-et DOE Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory.

"Vi var i stand til at udføre disse målinger ved at kombinere den ultralette røntgenkilde ved NSLS-II med den uovertrufne energiopløsning og spektrometer ved SIX strålelinjen, "sagde Jonathan Pelliciari, hovedforfatter af undersøgelsen og en videnskabsmand ved SIX.

SIX beamline er udstyret med en 50 fod lang spektrometerarm, indrettet i sin egen bygning støder op til NSLS-IIs forsøgsgulv. Denne lange, bevægelig arm gør det muligt for SIX at opnå en ekstremt høj energiopløsning og afsløre elektronernes kollektive bevægelse og deres spin i et materiale.

Studerede først jern i bulk, forskergruppen bekræftede resultater fra tidligere neutronspredningsteknikker. Derefter, da de bevægede sig mod tyndere materialer, de observerede ikke kun med succes spin -dynamik i atomskalaen, men også opdaget tykkelse kunne fungere som en "knop" til finjustering og styring af spindynamik.

"Det var spændende at se, hvordan jern bevarede sine ferromagnetiske egenskaber fra massen til kun et par enkeltlag, "sagde Bisogni, blystråleforsker ved SIX. "Da jern er et så elementært og enkelt materiale, vi betragter dette som et benchmark -tilfælde for at studere udviklingen af ​​egenskaber som en funktion af tykkelse ved hjælp af RIXS. "

Pelliciari tilføjede, "Dette arbejde er resultatet af en stærk synergi mellem faciliteter i verdensklasse. Ud over eksperimentet og karakteriseringsundersøgelsen på højt niveau udført på NSLS-II, denne forskning ville ikke have været mulig uden ekspertise og state-of-the-art syntesekapacitet fra vores kolleger ved Yale University. "

"Fordi Yale kun er to timer væk fra NSLS-II, Jeg kunne deltage fuldt ud i forsøget, "sagde Sangjae Lee, en kandidatstuderende i Charles Ahn lab ved Yale University. Lee og Ahn er medforfattere af undersøgelsen. "Dette eksperiment var en inspirerende mulighed for at udføre praktiske synkrotronmålinger med forskere i verdensklasse på NSLS-II."

Forskere i Brookhavens fysiske og materialevidenskabelige afdeling for kondenseret stof leverede også teoristøtte til den bedste fortolkning af de eksperimentelle data.

Forskerteamet på SIX vil fortsat bruge RIXS til at observere materielle egenskaber relateret til spintronics. Deres ultimative mål er at udvikle en "tænd- eller slukkontakt" til styring af spindynamik i enheder og forstå den underliggende mikroskopiske mekanisme.