Mekanisme opdeler elektronspin i magnetisk materiale

Med det rigtige materiale i den rigtige vinkel har Cornell-forskere opdaget en strategi til at ændre magnetiseringen i tynde lag af en ferromagnet - en teknik, der i sidste ende kan føre til udviklingen af ​​mere energieffektive magnetiske hukommelsesenheder.

Holdets papir, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide," udgivet 5. maj i Nature Electronics . Artiklens medforfattere er postdoc-forsker Arnab Bose og ph.d.-studerende Nathaniel Schreiber og Rakshit Jain.

I årtier har fysikere forsøgt at ændre orienteringen af ​​elektronspin i magnetiske materialer ved at manipulere dem med magnetiske felter. Men forskere, herunder Dan Ralph, F.R. Newman professor i fysik ved College of Arts and Sciences og avisens seniorforfatter har i stedet set på at bruge spinstrømme båret af elektroner, som eksisterer, når elektroner har spin generelt orienteret i én retning.

Når disse spinstrømme interagerer med et tyndt magnetisk lag, overfører de deres vinkelmomentum og genererer nok drejningsmoment til at skifte magnetiseringen 180 grader. (Processen med at skifte denne magnetiske orientering er, hvordan man skriver information i magnetiske hukommelsesenheder.)

Ralphs gruppe har fokuseret på at finde måder at kontrollere retningen af ​​spindet i spinstrømme ved at generere dem med antiferromagnetiske materialer. I antiferromagneter peger hvert andet elektronspin i den modsatte retning, derfor er der ingen nettomagnetisering.

"I bund og grund kan den antiferromagnetiske orden sænke symmetrierne af prøverne nok til at tillade ukonventionelle orienteringer af spinstrøm at eksistere," sagde Ralph. "Mekanismen af ​​antiferromagneter ser ud til at give en måde at faktisk også få ret stærke spinstrømme."

Holdet havde eksperimenteret med antiferromagneten rutheniumdioxid og målt, hvordan dens spinstrømme vippede magnetiseringen i et tyndt lag af en nikkel-jern magnetisk legering kaldet Permalloy, som er en blød ferromagnet. For at kortlægge de forskellige komponenter i drejningsmomentet målte de dets virkninger ved en række magnetfeltvinkler.

"Vi vidste ikke, hvad vi så i starten. Det var helt anderledes end det, vi så før, og det tog os meget tid at finde ud af, hvad det er," sagde Jain. "Disse materialer er også vanskelige at integrere i hukommelsesenheder, og vores håb er at finde andre materialer, der vil vise lignende adfærd, som nemt kan integreres."

Forskerne identificerede til sidst en mekanisme kaldet "momentumafhængig spin-spaltning", som er unik for rutheniumoxid og andre antiferromagneter i samme klasse.

"I lang tid antog folk, at elektroner i antiferromagneter altid opfører sig ens. Denne klasse af materialer er virkelig noget nyt," sagde Ralph. "De elektroniske tilstande, der drejer op og ned, har i det væsentlige forskellige afhængigheder. Når først du begynder at anvende elektriske felter, giver det dig straks en måde at lave stærke spinstrømme på, fordi elektronerne, der drejer op og ned, reagerer forskelligt. Så du kan accelerere en af ​​dem mere end den anden og få en stærk spinstrøm på den måde."

Denne mekanisme var blevet antaget, men aldrig før dokumenteret. Når krystalstrukturen i antiferromagneten er orienteret korrekt i enheder, tillader mekanismen spinstrømmen at vippes i en vinkel, der kan muliggøre mere effektiv magnetisk omskiftning end andre spin-kredsløbsinteraktioner.

Nu håber Ralphs team på at finde måder at lave antiferromagneter på, hvor de kan kontrollere domænestrukturen – dvs. de områder, hvor elektronernes magnetiske momenter flugter i samme retning – og studere hvert domæne individuelt, hvilket er udfordrende, fordi domænerne er normalt blandet.

Til sidst kunne forskernes tilgang føre til fremskridt inden for teknologier, der inkorporerer magnetisk tilfældig adgangshukommelse.

"Håbet ville være at lave meget effektive, meget tætte og ikke-flygtige magnetiske hukommelsesenheder, der ville forbedre de eksisterende siliciumhukommelsesenheder," sagde Ralph. "Det ville tillade en reel ændring i den måde, hvorpå hukommelsen er lavet i computere, fordi du ville have noget med i det væsentlige uendelig udholdenhed, meget tæt, meget hurtigt, og informationen forbliver, selvom strømmen er slukket. Der er ingen hukommelse, der gør det. det i disse dage." + Udforsk yderligere

Meget effektiv måde at vende magnetisering med spinstrømme