Zero field switching (ZFS) effekt i en nanomagnetisk enhed

Et uventet fænomen kendt som zero field switching (ZFS) kan føre til mindre, hukommelse og computerenheder med lavere effekt end det er muligt på nuværende tidspunkt. Billedet viser en lagdeling af platin (Pt), wolfram (W), og en kobolt-jern-bor magnet (CoFeB) klemt i enderne af guld (Au) elektroder på en silicium (Si) overflade. De grå pile viser den overordnede retning af elektrisk strøm, der sprøjtes ind i strukturen på bagsiden af ​​guldkontakten (Au) og kommer ud af den forreste guldkontaktpude.

CoFeB-laget er en nanometertyk magnet, der gemmer en smule data. Et "1" svarer til, at CoFeB-magnetiseringen peger opad (pil op), og et "0" repræsenterer magnetiseringen, der peger ned (pil ned). "0" eller "1" kan aflæses både elektrisk og optisk, Efterhånden som magnetiseringen ændrer reflektiviteten af ​​lys, der skinner på materialet gennem et andet fænomen kendt som den magneto-optiske Kerr-effekt (MOKE).

I enheden, elektrisk strøm kan vende datatilstanden mellem 0 og 1. Tidligere enheder af denne type har også krævet et magnetfelt eller andre mere komplekse foranstaltninger for at ændre materialets magnetisering. Disse tidligere enheder er ikke særlig nyttige til at bygge stabile, ikke-flygtige hukommelsesenheder.

Et gennembrud skete i et forskningssamarbejde mellem The Johns Hopkins University og NIST. Holdet opdagede, at de kunne vende CoFeB-magnetiseringen på en stabil måde mellem 0 og 1-tilstandene ved kun at sende elektrisk strøm gennem Pt- og W-metallagene ved siden af ​​CoFeB-nanomagneten. De behøvede ikke et magnetfelt. Denne ZFS-effekt (zero-field switching) var en overraskelse og var ikke blevet teoretisk forudsagt.

I deres arbejde, forskerne skabte en speciel slags elektrisk strøm kendt som en "spin" strøm. Elektronerne, der fører elektrisk strøm, har en egenskab kendt som spin, som kan forestilles som en stangmagnet, der peger i en bestemt retning gennem elektronen. I stigende grad udnyttet i det nye område kendt som "spintronics, " spinstrøm er simpelthen elektrisk strøm, hvor elektronernes spin peger i samme retning. Når en elektron bevæger sig gennem materialet, samspillet mellem dets spin og dets bevægelse (kaldet et spin-orbit drejningsmoment, SOT) skaber en spinstrøm, hvor elektroner med én spin-tilstand bevæger sig vinkelret på strømmen i én retning, og elektroner med den modsatte spin-tilstand bevæger sig i den modsatte retning. De resulterende spins, der har bevæget sig ved siden af ​​det magnetiske CoFeB-lag, udøver et drejningsmoment på dette lag, får dens magnetisering til at blive vendt. Uden spinstrømmen er CoFeB-magnetiseringen stabil over for eventuelle udsving i strøm og temperatur. Denne uventede ZFS-effekt stiller nye spørgsmål til teoretikere om den underliggende mekanisme for det observerede SOT-inducerede omskiftningsfænomen.

Detaljer om spin-orbit-drejningsmomentet er illustreret i diagrammet. De lilla pile viser elektronernes spins i hvert lag. Den blå buede pil viser den retning, hvori spins af den type bliver omdirigeret. (For eksempel, i W-laget, elektroner med spin til venstre i xy-planet afledes for at bevæge sig opad mod CoFeB, og elektronspindene til højre afledes for at bevæge sig ned mod Pt.) Bemærk elektronspindene i Pt med spin til højre (i xy plan), imidlertid, afledes for at bevæge sig opad mod W, og elektronspin med spin til venstre afledes for at bevæge sig nedad mod Si. Dette er modsat den retning, elektronen spinder i W bevæger sig, og dette skyldes forskelle i SOT oplevet af elektroner, der bevæger sig gennem Pt, og dem, der bevæger sig gennem W. Faktisk, det er denne forskel i den måde, elektronerne bevæger sig gennem hver af disse to ledere, der kan være vigtig for at muliggøre den usædvanlige ZFS-effekt.

Forskerholdet, herunder NIST-forskere Daniel Gopman, Robert Shull, og NIST-gæsteforsker Yury Kabanov, og Johns Hopkins University-forskerne Qinli Ma, Yufan Li og professor Chia-Ling Chien, rapportere deres resultater i dag Fysiske anmeldelsesbreve .

Igangværende undersøgelser foretaget af forskerne søger at identificere andre potentielle materialer, der muliggør nul-felt-switching af en enkelt vinkelret nanomagnet, samt at bestemme, hvordan ZFS-adfærden ændrer sig for nanomagneter, der besidder mindre laterale størrelser, og udvikle det teoretiske grundlag for dette uventede omskiftningsfænomen.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.