At fange elektroner i aktion i en antiferromagnetisk nanotråd

Elektronen er en af ​​de fundamentale partikler i naturen, vi læser om i skolen. Dens adfærd rummer spor til nye måder at opbevare digitale data på.

I en undersøgelse offentliggjort i Nano bogstaver , fysikere fra Michigan Technological University udforsker alternative materialer for at forbedre kapaciteten og formindske størrelsen af ​​digitale datalagringsteknologier. Ranjit Pati, professor i fysik ved Michigan Tech, ledede undersøgelsen og forklarer fysikken bag hans teams nye nanotrådsdesign.

"Takket være en egenskab kaldet spin, elektroner opfører sig som små magneter, " sagde Pati. "I lighed med hvordan en stangmagnets magnetisering er dipolær, peger fra syd til nord, elektronerne i et materiale har magnetiske dipolmomentvektorer, der beskriver materialets magnetisering."

Når disse vektorer er i tilfældig orientering, materialet er ikke-magnetisk. Når de er parallelle med hinanden, det kaldes ferromagnetisme og antiparallelle justeringer er antiferromagnetisme. Nuværende datalagringsteknologi er baseret på ferromagnetiske materialer, hvor dataene er lagret i små ferromagnetiske domæner. Dette er grunden til, at en stærk nok magnet kan ødelægge en mobiltelefon eller anden elektronisk opbevaring.

Datalagringsudfordringer

Afhængigt af magnetiseringsretningen (om den peger op eller ned), data registreres som bits (enten et 1 eller 0) i ferromagnetiske domæner. Imidlertid, der er to flaskehalse, og begge afhænger af nærhed. Først, bringe en ekstern magnet for tæt på, og dets magnetfelt kan ændre retningen af ​​magnetiske momenter i domænet og beskadige lagerenheden. Og, sekund, domænerne har hver deres eget magnetfelt, så de kan heller ikke være for tæt på hinanden. Udfordringen med mindre, mere fleksibel, mere alsidig elektronik er, at de efterspørger enheder, der gør det sværere at holde ferromagnetiske domæner sikkert adskilt.

"Datapakning med ultrahøj tæthed ville være en skræmmende opgave med ferromagnetiske hukommelsesdomæner, " sagde Pati. "Antiferromagnetiske materialer, på den anden side, er fri for disse problemer."

I sig selv er antiferromagnetiske materialer ikke gode til elektroniske enheder, men de er ikke påvirket af eksterne magnetiske felter. Denne evne til at modstå magnetisk manipulation begyndte at få mere opmærksomhed fra forskersamfundet, og Patis team brugte en forudsigelig kvante-mange-legeme-teori, der overvejer elektron-elektron-interaktioner. Holdet fandt ud af, at chrom-doterede nanotråde med en germaniumkerne og siliciumskal kan være en antiferromagnetisk halvleder.

Antiferromagnetisme

Adskillige forskningsgrupper har for nylig demonstreret manipulation af individuelle magnetiske tilstande i antiferromagnetiske materialer ved hjælp af elektrisk strøm og lasere. De observerede spindynamik i terahertz-frekvensen - meget hurtigere end den frekvens, der bruges i vores nuværende datalagringsenheder. Denne observation har åbnet op for et væld af forskningsinteresser i antiferromagnetisme og kan føre til hurtigere, datalagring med højere kapacitet.

"I vores seneste arbejde, vi har med succes udnyttet de spændende træk ved en antiferromagnet til en lavdimensionel, komplementær metaloxid-kompatibel halvleder (CMOS) nanotråd uden at ødelægge nanotrådens halvledende egenskaber, " sagde Pati. "Dette åbner muligheder for mindre og smartere elektronik med højere kapacitet til datalagring og manipulation."

Pati tilføjer, at den mest spændende del af forskningen for hans team var at afdække den mekanisme, der dikterer antiferromagnetisme. Mekanismen kaldes superudveksling, og den styrer elektronernes spin og den antiparallelle justering, der gør dem antiferromagnetiske. I holdets nanotråd, germaniumelektroner fungerer som mellemled, en veksler, mellem uforbundne chromatomer.

"Samspillet mellem de magnetiske tilstande af chromatomerne er medieret af de mellemliggende atomer, de er bundet til. Det er et kooperativt magnetisk fænomen, " sagde Pati. "På en enkel måde, lad os sige, at der er to personer A og B:De er langt fra hinanden og kan ikke kommunikere direkte. Men A har en ven C og B har en ven D. C og D er nære venner. Så, A og B kan interagere indirekte gennem C og D."

Bedre forståelse af, hvordan elektroner kommunikerer mellem atomare venner, gør det muligt for flere eksperimenter at teste potentialet af materialer som chrom-doterede nanotråde. Bedre forståelse af germanium-silicium nanotrådmaterialets antiferromagnetiske natur er det, der øger potentialet for mindre, klogere, elektronik med højere kapacitet.