Ny mekanisme muliggør elektrisk kontrol af magnetiseringen i magnetiske nanoenheder

Udviklingen af ​​innovative magnetiske nanoenheder er et skridt tættere på virkeligheden takket være RIKEN-fysikernes observation af en type rotation, der kan realiseres i materialer bestående af lette elementer.

Evnen til at bruge elektriske strømme til at dreje roterende mekaniske dele førte til udviklingen af ​​elektriske motorer og forårsagede en eksplosion i elektriske enheder. Nu, fysikere forsøger at gøre det samme, men på nanoskala. Imidlertid, udviklingen af ​​innovative magnetiske nanoenheder kræver effektiv elektrisk generering af rotation, eller drejningsmoment.

Som regel, drejningsmoment genereres i magnetiske systemer ved at konvertere elektrisk ladning til spin ved at bruge den stærke spin-kredsløbsinteraktion af et tungmetallag. Den resulterende spinstrøm injiceres derefter i tilstødende ferromagnetiske lag. Men materialer med tunge grundstoffer er ofte uforenelige med skalerbare produktionsprocesser, og deres høje modstand gør dem uegnede til nogle applikationer.

Et nyligt teoretisk forslag foreslog, at drejningsmoment kunne produceres ved at injicere orbital vinkelmomentum i ferromagnetiske lag. Det orbitale vinkelmomentum kan genereres ved at lede en elektrisk strøm gennem let-elementmaterialer. Det kan derefter konverteres til spin ved spin-kredsløbsinteraktionen af ​​et ferromagnetisk lag. Denne type drejningsmoment kaldes orbitalt drejningsmoment, og det kan i størrelsesorden svare til det drejningsmoment, der induceres af spin-injektion.

Nu, Junyeon Kim, YoshiChika Otani og kolleger ved RIKEN Center for Emergent Matter Science, sammen med internationale samarbejdspartnere, har realiseret en så effektiv drejningsmomentgenerering i trelagssystemer sammensat af et ferromagnetisk lag, et kobberlag og et aluminiumoxid (Al ₂ O ₃ ) lag.

I dette system, det orbitale vinkelmoment genereres ved kobber-aluminiumoxid-grænsefladen og transporteres derefter af kobberlaget til det ferromagnetiske lag, hvor det omdannes til spin.

Mens drejningsmomentgenereringseffektiviteten af ​​dette system konkurrerede med materialer, der indeholder tunge elementer, den underliggende fysik er fundamentalt anderledes. Holdet fandt ud af, at drejningsmomentgenereringseffektiviteten varierede med to størrelsesordener, når forskellige ferromagnetiske lag blev brugt. Dette er meget forskelligt fra opførselen af ​​spin-injektionssystemer, bekræfter, at en ny type drejningsmoment er på arbejde.

A CoFe/Cu/Al ₂ O ₃ trelagssystem - det der gav de bedste resultater - udviste en effektiv spin Hall-ledningsevne, som er proportional med drejningsmomentgenereringseffektiviteten, ti gange større end det, der observeres i tunge grundstoffer. Denne enestående spin-konduktivitet vil oversætte til energieffektiv enhedsdrift og høj cyklerbarhed takket være lavere produktion af spildvarme. Disse resultater udvider materialevalgene for magnetiske nanoenheder, lover bemærkelsesværdige effektivitetsgevinster og muligheden for masseproduktion.