Spintronics-forskning viser, at visse materialers magnetiske tilstand kan ændres ved hjælp af overfladeinduceret belastning

Elektronik er baseret på elektriske ladninger, der transporteres fra et sted til et andet. Elektroner bevæger sig, strømmen flyder, og signaler transmitteres ved at påføre en elektrisk spænding. Der er dog også en anden måde at manipulere elektroniske strømme og signaler på:ved at bruge spindets egenskaber - elektronens iboende magnetiske moment. Dette kaldes "spintronics", og det er blevet et stadig vigtigere felt i moderne elektronisk forskning.

Et internationalt forskerhold, der involverer TU Wien og det tjekkiske videnskabsakademi, har nu opnået et vigtigt gennembrud. De har formået at skifte spins i et antiferromagnetisk materiale ved hjælp af overfladebelastning. Dette kan føre til en vigtig ny forskningslinje inden for elektroniske teknologier. Forskningen er publiceret i tidsskriftet Advanced Functional Materials .

"Der er forskellige typer af magnetisme," forklarer Sergii Khmelevskyi fra Vienna Scientific Cluster Research Center, TU Wien. "Den bedst kendte er ferromagnetisme. Den opstår, når atomspin i et materiale alle er justeret parallelt. Men der er også det modsatte, antiferromagnetisme. I et antiferromagnetisk materiale har naboatomer altid modsatte spins." Deres virkninger ophæver derfor hinanden, og ingen magnetisk kraft kan detekteres udefra.

"I 2010 kom forskere ved TU Wien og Det Tjekkiske Videnskabsakademi imidlertid op med ideen om, at sådanne antiferromagnetiske materialer har lovende egenskaber til spintroniske applikationer," siger Khmelevskyi. Dette blev starten på det nye forskningsfelt "antiferromagnetisk spintronik", som har udviklet sig hurtigt lige siden.

Intensivt arbejde blev for nylig udført af TU Wien, Institut for Fysik ved Det Tjekkiske Videnskabsakademi og Ecole Polytechnique (Paris). Den største udfordring var, at spins i antiferromagnetiske materialer er svære at manipulere - men at finde en måde at manipulere dem på en pålidelig og præcis måde er afgørende. Kun hvis magnetiske tilstande kan skiftes fra en tilstand til en anden på en målrettet måde, bliver det muligt at producere computerhukommelsesceller (f.eks. MRAM).

Magnetisk frustration:Små effekter gør hele forskellen

Det er nemt at manipulere ferromagneter:Det er nok blot at anvende et eksternt magnetfelt for at påvirke dets indre magnetiske egenskaber. Dette er ikke muligt med antiferromagneter – men der er en vej ud:Du kan arbejde med overfladebelastning.

Dette kræver dog meget specifikke typer krystaller. Afhængigt af geometrien og arrangementet af atomerne i krystallen kan flere forskellige antiferromagnetiske spin-arrangementer være mulige. Krystallen antager tilstanden med den laveste energi. Men det kan være en situation, hvor flere forskellige spin-ordrer har den samme energi. Dette fænomen kaldes "magnetisk frustration." "I så fald kan små interaktioner, som ellers ikke ville spille nogen rolle, afgøre, hvilken magnetisk tilstand krystallen antager," siger Khmelevskyi.

Eksperimenter med urandioxid har vist, at mekanisk stress kan bruges til at komprimere krystalgitteret en lille smule, og det er nok til at ændre den magnetiske rækkefølge af materialet.

"Vi har nu vist, at antiferromagneter faktisk kan skiftes ved at udnytte egenskaberne af den magnetiske frustration, der findes i mange kendte materialer," siger Khmelevskyi. "Det åbner døren til mange spændende videreudviklinger i retning af funktionel antiferromagnetisk spintronik."

Flere oplysninger: Evgenia A. Tereshina-Chitrova et al., Strain-driven Switching Between Antiferromagnetic States in Frustrated Antiferromagnet UO2 Probed by Exchange Bias Effect, Advanced Functional Materials (2023). DOI:10.1002/adfm.202311895

Leveret af Vienna University of Technology