Styring af magnetiseringsretning af magnetit ved stuetemperatur

I løbet af de sidste par årtier, konventionel elektronik har hurtigt nået sine tekniske grænser inden for computer- og informationsteknologi, opfordrer til innovative enheder, der går ud over den blotte manipulation af elektronstrøm. I denne forbindelse spintronik, studiet af enheder, der udnytter elektronernes "spin" til at udføre funktioner, er et af de hotteste områder inden for anvendt fysik. Men, måling, ændre, og, generelt, at arbejde med denne fundamentale kvanteegenskab er ingen ringe bedrift.

Nuværende spintroniske enheder – f.eks. magnetiske tunnelforbindelser - lider af begrænsninger såsom højt strømforbrug, lave driftstemperaturer, og alvorlige begrænsninger i materialevalg. Til denne ende, et team af forskere ved Tokyo University of Science og National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, har for nylig offentliggjort en undersøgelse i ACS Nano , hvor de præsenterer en overraskende enkel, men effektiv strategi til at manipulere magnetiseringsvinklen i magnetit (Fe ₃ O ₄ ), et typisk ferromagnetisk materiale. Holdet fremstillede en helt fast reduktion-oxidations ("redox") transistor indeholdende en tynd film af Fe ₃ O ₄ på magnesiumoxid og en lithiumsilikatelektrolyt doteret med zirconium (fig. 1). Indsættelsen af ​​lithiumioner i den faste elektrolyt gjorde det muligt at opnå rotation af magnetiseringsvinklen ved stuetemperatur og væsentligt ændre elektronbærerens tæthed. Lektor Tohru Higuchi fra Tokyo University of Science, en af ​​forfatterne til dette offentliggjorte papir, siger "Ved at påføre en spænding for at indsætte lithium-ioner i en fast elektrolyt i en ferromagnet, vi har udviklet en spintronisk enhed, der kan rotere magnetiseringen med et lavere strømforbrug end ved magnetiseringsrotation ved spinstrømindsprøjtning. Denne magnetiseringsrotation er forårsaget af ændringen af ​​spin-kredsløbskobling på grund af elektroninjektion i en ferromagnet."

I modsætning til tidligere forsøg, der var afhængige af at bruge stærke eksterne magnetfelter eller indsprøjte spin-skræddersyede strømme, den nye tilgang udnytter en reversibel elektrokemisk reaktion. Efter at have påført en ekstern spænding, lithium-ioner migrerer fra den øverste lithium-koboltoxid-elektrode og gennem elektrolytten, før de når den magnetiske Fe ₃ O ₄ lag. Disse ioner indsætter derefter sig selv i magnetitstrukturen, danner Li _x Fe ₃ O ₄ og forårsager en målbar rotation i dens magnetiseringsvinkel på grund af en ændring i ladningsbærere.

Denne effekt gjorde det muligt for forskerne at ændre magnetiseringsvinklen reversibelt med cirka 10°. Selvom en meget større rotation på 56° blev opnået ved at øge den eksterne spænding yderligere, de fandt ud af, at magnetiseringsvinklen ikke kunne skiftes helt tilbage (fig. 2). "Vi fastslog, at denne irreversible magnetiseringsvinkelrotation var forårsaget af en ændring i den krystallinske struktur af magnetit på grund af et overskud af lithiumioner, " forklarer Higuchi, "Hvis vi kunne undertrykke sådanne irreversible strukturelle ændringer, vi kunne opnå en betydeligt større magnetiseringsrotation."

Den nye enhed udviklet af forskerne repræsenterer et stort skridt i kontrollen af ​​magnetisering til udvikling af spintroniske enheder. I øvrigt, strukturen af ​​enheden er relativt enkel og let at fremstille. Dr. Takashi Tsuchiya, Hovedforsker ved NIMS, den tilsvarende forfatter til undersøgelsen siger, "Ved at styre magnetiseringsretningen ved stuetemperatur på grund af indsættelsen af ​​lithiumioner i Fe ₃ O ₄ , vi har gjort det muligt at operere med meget lavere strømforbrug end magnetiseringsrotationen ved spinstrømindsprøjtning. Det udviklede element fungerer med en enkel struktur."

Selvom der stadig er mere arbejde at gøre for at få det fulde udbytte af denne nye enhed, den forestående fremkomst af spintronics vil helt sikkert åbne op for mange nye og kraftfulde applikationer. "I fremtiden, vi vil forsøge at opnå en rotation på 180° i magnetiseringsvinklen, " siger Dr. Kazuya Terabe, Principal Investigator ved International Center for Materials Nanoarchitectonics ved NIMS og medforfatter til undersøgelsen, "Dette ville lade os skabe spintroniske hukommelsesenheder med høj densitet med stor kapacitet og endda neuromorfe enheder, der efterligner biologiske neurale systemer." Nogle andre anvendelser af spintronics er inden for det meget eftertragtede felt af kvanteberegning.

Kun tiden vil vise, hvad denne grænseteknologi har i kø for os!