Fysikere finder en ny måde at tænde og slukke antiferromagnetisme på

Når du gemmer et billede på din smartphone, disse data skrives på små transistorer, der tændes eller slukkes elektrisk i et mønster af "bits" for at repræsentere og kode det billede. De fleste transistorer i dag er fremstillet af silicium, et element, som forskere har formået at skifte på stadig mindre skalaer, muliggør milliarder af bits, og derfor store biblioteker med billeder og andre filer, skal pakkes på en enkelt hukommelseschip.

Men stigende efterspørgsel efter data, og midlerne til at gemme dem, driver forskere til at søge ud over silicium efter materialer, der kan skubbe hukommelsesenheder til højere densiteter, hastigheder, og sikkerhed.

Nu har MIT -fysikere vist foreløbige beviser for, at data kan gemmes som hurtigere, tættere, og mere sikre bits fremstillet af antiferromagneter.

Antiferromagnetisk, eller AFM-materialer er de mindre kendte fætre til ferromagneter, eller konventionelle magnetiske materialer. Hvor elektronerne i ferromagneter drejer synkront - en egenskab, der tillader en kompassnål at pege mod nord, kollektivt følger Jordens magnetfelt - elektroner i en antiferromagnet foretrækker det modsatte spin frem for deres nabo, i en "antialignment", der effektivt slukker magnetisering selv i de mindste skalaer.

Fraværet af netmagnetisering i en antiferromagnet gør den uigennemtrængelig for ethvert eksternt magnetfelt. Hvis de blev lavet til hukommelsesenheder, antiferromagnetiske bits kunne beskytte enhver kodet data mod at blive slettet magnetisk. De kunne også laves til mindre transistorer og pakkes i større antal pr. Chip end traditionel silicium.

Nu har MIT -teamet fundet ud af, at ved at dope ekstra elektroner ind i et antiferromagnetisk materiale, de kan tænde og slukke dets kollektive antialignede arrangement, på en kontrollerbar måde. De fandt ud af, at denne magnetiske overgang er reversibel, og tilstrækkeligt skarp, ligner at skifte en transistors tilstand fra 0 til 1. Resultaterne, udgivet i dag i Fysisk gennemgangsbreve , demonstrere en potentiel ny vej til at bruge antiferromagneter som en digital switch.

"En AFM -hukommelse kan muliggøre opskalering af datalagringskapaciteten på nuværende enheder - samme volumen, men flere data, "siger undersøgelsens hovedforfatter Riccardo Comin, adjunkt i fysik ved MIT.

Comins MIT-medforfattere omfatter hovedforfatter og kandidatstuderende Jiarui Li, sammen med Zhihai Zhu, Grace Zhang, og Da Zhou; samt Roberg Green fra University of Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun, og Shriram Ramanathan fra Purdue University; Ronny Sutarto og Feizhou He fra canadisk lyskilde; og Jerzy Sadowski ved Brookhaven National Laboratory.

Magnetisk hukommelse

For at forbedre datalagring, nogle forskere søger MRAM, eller magnetoresistivt RAM, en type hukommelsessystem, der lagrer data som bits fremstillet af konventionelle magnetiske materialer. I princippet, en MRAM -enhed ville blive mønstret med milliarder af magnetiske bits. For at kode data, retningen af ​​et lokalt magnetisk domæne i enheden vendes, ligner at skifte en transistor fra 0 til 1.

MRAM-systemer kunne potentielt læse og skrive data hurtigere end siliciumbaserede enheder og kunne køre med mindre strøm. Men de kan også være sårbare over for eksterne magnetiske felter.

"Systemet som helhed følger et magnetfelt som en solsikke følger solen, det er derfor, hvis du tager en magnetisk datalagringsenhed og sætter den i et moderat magnetfelt, oplysninger slettes fuldstændigt, "Siger Comin.

Antiferromagneter, i modsætning, er upåvirket af eksterne felter og kan derfor være et mere sikkert alternativ til MRAM -designs. Et vigtigt skridt mod kodbare AFM -bits er evnen til at tænde og slukke antiferromagnetisme. Forskere har fundet forskellige måder at opnå dette på, for det meste ved at bruge elektrisk strøm til at skifte et materiale fra dets velordnede modretning, til en tilfældig forstyrrelse af spins.

"Med disse tilgange, skift er meget hurtigt, "siger Li." Men ulempen er, hver gang du har brug for en strøm til at læse eller skrive, der kræver meget energi pr. operation. Når tingene bliver meget små, energien og varmen, der genereres ved løbende strømme, er betydelig. "

Dopet lidelse

Comin og hans kolleger spekulerede på, om de kunne opnå antiferromagnetisk kobling på en mere effektiv måde. I deres nye undersøgelse, de arbejder med neodymnikkelat, et antiferromagnetisk oxid dyrket i Ramanathan -laboratoriet. Dette materiale udviser nanodomæner, der består af nikkelatomer med et modsat spin til naboens, og holdt sammen af ​​ilt og neodymiumatomer. Forskerne havde tidligere kortlagt materialets fraktale egenskaber.

Siden da, forskerne har undersøgt, om de kunne manipulere materialets antiferromagnetisme via doping - en proces, der med vilje indfører urenheder i et materiale for at ændre dets elektroniske egenskaber. I deres tilfælde, forskerne dopede neodym nikkeloxid ved at fjerne materialet for dets iltatomer.

Når et oxygenatom fjernes, den efterlader to elektroner, som omfordeles mellem de andre nikkel- og oxygenatomer. Forskerne spekulerede på, om fjernelse af mange iltatomer ville resultere i en dominoeffekt af lidelse, der ville slukke materialets ordnede antialignment.

For at teste deres teori, de voksede 100-nanometer-tynde film af neodymnikkeloxid og placerede dem i et ilt-sultet kammer, derefter opvarmede prøverne til temperaturer på 400 grader Celsius for at tilskynde ilt til at flygte fra filmene og ind i kammerets atmosfære.

Da de gradvist fjernede mere ilt, de studerede filmene ved hjælp af avancerede magnetiske røntgenkrystallografiteknikker til at afgøre, om materialets magnetiske struktur var intakt, indebærer, at dens atomspins forblev i deres velordnede modretning, og bevarede derfor antiferomagnetisme. Hvis deres data viste mangel på en ordnet magnetisk struktur, det ville være et bevis på, at materialets antiferromagnetisme var slukket, på grund af tilstrækkelig doping.

Gennem deres eksperimenter, forskerne var i stand til at slukke materialets antiferromagnetisme ved en bestemt kritisk dopingtærskel. De kunne også genoprette antiferromagnetisme ved at tilføje ilt tilbage til materialet.

Nu hvor teamet har vist, at doping effektivt tænder og slukker AFM, forskere kan bruge mere praktiske måder at dope lignende materialer på. For eksempel, siliciumbaserede transistorer skiftes ved hjælp af spændingsaktiverede "porte, "hvor en lille spænding påføres en smule for at ændre dens elektriske ledningsevne. Comin siger, at antiferromagnetiske bits også kunne skiftes ved hjælp af passende spændingsporte, hvilket ville kræve mindre energi end andre antiferromagnetiske koblingsteknikker.

"Dette kunne give mulighed for at udvikle en magnetisk hukommelsesenhed, der fungerer på samme måde som siliciumbaserede chips, med den ekstra fordel, at du kan gemme oplysninger i AFM -domæner, der er meget robuste og kan pakkes med høje tætheder, "Comin siger." Det er nøglen til at løse udfordringerne i en datadrevet verden. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.