Forskere demonstrerer potentialet i et nyt kvantemateriale til at skabe to spintronic -teknologier

I løbet af det sidste årti eller deromkring, fysikere og ingeniører har forsøgt at identificere nye materialer, der kunne muliggøre udvikling af hurtigere elektroniske enheder, mindre og mere robust. Dette er blevet stadig mere afgørende, da eksisterende teknologier er lavet af materialer, der gradvist nærmer sig deres fysiske grænser.

Antiferromagnetisk (AFM) spintronik er enheder eller komponenter til elektronik, der kobler en strøm af ladning til den bestilte centrifugering af bestemte materialer. I fysikken, udtrykket spin refererer til det iboende vinkelmoment, der observeres i elektroner og andre partikler.

Den vellykkede udvikling af AFM spintronics kan have meget vigtige konsekvenser, da det kunne føre til oprettelse af enheder eller komponenter, der overgår Moores lov, et princip, der først blev introduceret af mikrochipproducenten Gordon Earle Moore. Moores lov siger i det væsentlige, at hukommelsen, computers hastighed og ydeevne kan forventes at fordobles hvert andet år på grund af stigningen i antallet af transistorer, som en mikrochip kan indeholde.

Mens de nuværende teknologier når deres fysiske grænser, AFM spintronics kunne væsentligt overgå eksisterende enheder i både hastighed og ydeevne, rækker langt ud over Moores lov. På trods af deres fordelagtige kvaliteter, Det har hidtil vist sig at være meget udfordrende at finde materialer med de nøjagtige egenskaber, der er nødvendige for at fremstille AFM spintronics.

Forskere ved Lawrence Berkeley National Laboratory, UC Berkeley og National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee har for nylig identificeret et nyt kvantemateriale (Fe _{1/3 + δ} NbS ₂ ), der kunne bruges til at fremstille AFM spintronic -enheder. I deres seneste aviser, udgivet i Videnskab fremskridt og Naturfysik , de demonstrerede muligheden for at bruge dette materiale til to AFM spintronics -applikationer.

"Værket blev offentliggjort i Videnskab fremskridt var motiveret af vores tidligere publikation, som demonstrerede antiferromagnetisk omskiftning i de interkalerede overgangsmetal-dichalcogenid (TMD) -baserede forbindelser for første gang, "James G. Analytis, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I vores anden nylige undersøgelse, fremhævet i Naturfysik , vi viste, at de samme materialer har en enorm 'udvekslingsbias' - en egenskab, der kan bruges til centrifugeringsventiler for at sikre, at transporten af ​​centrifugering i spintronic -apparater bevæger sig i en retning, men ikke en anden. "

Analytis og hans kolleger fandt ud af, at ultra-lave strømtætheder muliggjorde en meget stabil elektrisk omskiftning i TMD'er, som har vist stort løfte om udviklingen af ​​nye teknologier. Sammenlignet med andre kendte omskiftelige antiferromagnetiske systemer, faktisk, disse materialer udviste yderligere egenskaber, såsom en enkeltpulsmætning og en signifikant lavere aktiveringsenergi (to størrelsesordener lavere).

Forskerne var usikre på, hvorfor disse materialer udviste disse ekstraordinære skifteegenskaber. En observation, som de troede kunne hjælpe dem med at løse denne gåde, var, at materialerne præsenterede en yderligere uordnet magnetisk fase, kendt som spinglas, som sameksisterede med den antiferromagnetiske fase.

"Vores igangværende forskning viser, at denne fase sameksistens er stærkt påvirket af jerninterkalationsværdien, og derfor det bestemmer, hvordan dette system vil reagere på indsprøjtningen af ​​elektriske DC -pulser, "Eran Maniv, projektets hovedforfatter, fortalte Phys.org. "Vores nye data viste, at skiftet kun udtales, når de to faser sameksisterer og undertrykkes betydeligt, når spindglasfasen er fraværende."

Hovedformålet med forskernes nylige undersøgelser var at forstå, hvordan sameksistensen af ​​spinneglasset og antiferromagnetiske faser i overgangsmetal-dichalcogenider kunne påvirke deres elektriske koblingsevner. Mere specifikt, Analytis, Maniv og deres kolleger håbede at afsløre fysikken bag mekanismen, der forbedrer antiferromagnetisk kobling i disse materialer.

Et spinglas er et magnetisk system, der udviser tilfældigt fordelte og modstridende magnetiske interaktioner. Det kan groft sagt beskrives som en uordnet magnet. Spindglas -tilstand, som forskerne observerede i overgangsmetal-dichalcogenider, findes ikke i eksisterende omskiftelige antiferromagnetiske systemer.

"I modsætning til en ferromagnet eller en antiferromagnet, hvor spinnene peger i bestemte retninger, et spinglas 'spin points, gennemsnitlig, i alle retninger, "Analytis sagde." Dog, spinnene på et spinglas er stadig limet til hinanden, ligesom spin af en ferromagnet eller en AFM. Det får dem til at bevæge sig sammen, muliggør såkaldt kollektiv dynamik. Oprindelsen til den nye og forbedrede koblingsmekanisme, vi observerede, ligger i den kollektive dynamik i et spinglas. "

Maniv, Analytis og deres kolleger fandt ud af, at når en elektrisk strømpuls injiceres i et spinglas, dens spins roterer kollektivt. Dette fænomen opstår på grund af den uklare karakter af den glasagtige fase, som gør det muligt for de frosne spins at rotere i fællesskab uden yderligere energiomkostninger.

Forskerne observerede, at spin -glassets kollektive bevægelse kan give spin -drejningsmoment på den sameksisterende antiferromagnetiske fase, som i sidste ende roterer spinnene på en AFM, så deres domæner overvejende peger i en retning. Spins 'kollektive rotation er nøglemekanismen bag den forbedrede omstilling, der udvises af TMD'er. Interessant nok, forskerne fandt ud af, at interaktionen mellem spinneglasset og AFM -faserne også giver anledning til den kæmpe udvekslingsbias, der blev rapporteret i deres seneste papir, der blev offentliggjort i Nature Physics.

"Denne antiferromagnetiske omskiftning, viser enkeltpulsroterede domæner med høj effektivitet, er aldrig blevet observeret, indtil nu, "Maniv sagde." Evnen til at kontrollere og forbedre den meget ønskelige antiferromagnetiske omskiftning er et gennembrud inden for spintronic-relaterede teknologier. I øvrigt, afsløring af denne effekt i TMD'ernes legeplads med rig materiale vil muliggøre fremtidige stuetemperaturundersøgelser og forbedrede egenskaber. "

Bemærkelsesværdigt, det nye magnetiske og omskiftelige system identificeret af Analytis og hans kolleger har ultrahurtig dynamik, er robust over for magnetfelter og aktiveres også ved lavere strømtætheder end noget kendt materiale. Dette systems reaktion på elektriske impulser muliggør højeffektiv enkeltpulsaktivering og omskiftningstilstande, der er langt mere stabile og kraftfulde end dem, der observeres i andre kendte antiferromagnetiske materialer.

"En af vores mest markante observationer var den mulige tilstedeværelse af de teoretisk forudsagte" Halperin-Saslow (HS) -tilstande "(dvs. spin -bølger i et spin -glas), "Maniv sagde." Disse spinbølger forudsiges at dannes i visse spindglasfaser og er direkte relateret til den globale kollektive bevægelse muliggjort af elektriske strømpulser. "

HS -tilstande er hydrodynamiske tilstande, som fysikerne Halperin og Saslow forudsagde ville eksistere i spinneglas. Mens Analytis og hans kolleger ikke observerede disse tilstande direkte, de fandt spor, der kunne bane vej for deres eksperimentelle erkendelse. Dette er et særligt interessant fund, som forskere har forsøgt at observere disse tilstande direkte i årtier.

"Vi har nu til hensigt at fokusere på at afsløre spin -glasset - spin -bølgetilstande (dvs. HS -tilstande), "Analytis sagde." En af mine medforfattere til værket, Shannon Haley, leder nu nye eksperimenter for at studere ikke-lokal omskiftning i fokuserede ionstrålefremstillede prøver. Derudover vi har til hensigt at studere forskellige interkalerede TMD'er, der kan have lignende virkninger, men ved forskellige temperaturer, giver os adgang til denne nye mekanisme ved stuetemperatur. "

© 2021 Science X Network