Opdagelse af energibesparende teknologier i IT-sektoren:Styring af ferrimagneter efter spænding

Den hurtige stigning i energiforbruget relateret til digitale teknologier er en stor global udfordring. Et centralt problem er reduktionen af ​​energiforbruget af magnetiske datalagringsenheder, som bruges, for eksempel, i store datacentre.

Et internationalt forskerhold ledet af Massachusetts Institute of Technology (MIT) og med deltagelse af prof. Karin Leistner og dr. Jonas Zehner fra professoratet i elektrokemiske sensorer og energilagring ved Institute of Chemistry ved Chemnitz University of Technology (tidligere leder af forskergruppen Magneto-ionics and Nanoelectrodeposition ved Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden) demonstrerer nu 180° magnetiseringsvending ved spændingsinduceret brintbelastning i ferrimagneter.

Dette resultat er af enestående relevans, da 180° magnetiseringsvending af rent elektriske felter i sagens natur er vanskelig ud fra grundlæggende principper, men det lover en drastisk reduktion i energiforbruget til magnetiseringsskift. Til anvendelse i datalagring og manipulation, 180° magnetiseringsskift er afgørende, da magnetiseringen i de enkelte bits sædvanligvis modvirkes af 180°. Dermed, resultatet af undersøgelsen har potentiale til at åbne en vej til dramatisk reduceret globalt strømforbrug til datalagring.

Udover deltagerne fra MIT og Chemnitz University of Technology, forskerholdet omfattede forskere fra University of Minnesota, Korea Institute of Science and Technology og ALBA Synchrotron i Barcelona. Føringen blev taget af materialeforskerne Dr. Mantao Huang og Prof. Geoffrey Beach fra MIT, eksperter i brint-baserede magneto-ioniske enheder og spintronik.

Resultaterne blev offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Natur nanoteknologi .

Ny tilgang

I magnetiske datalagringsmedier, såsom harddiske eller MRAM'er (magnetic random access memory), information lagres gennem en specifik justering af magnetisering i mikroskopiske områder. Magnetiseringsretningen justeres normalt af elektriske strømme eller lokale magnetfelter - disse magnetiske felter genereres også af elektriske strømme i mikrospoler. I begge tilfælde, den elektriske strøm fører til energitab ved Joule-opvarmning. Derfor, styring af magnetisering ved hjælp af elektriske felter er en lovende tilgang til at reducere energiforbruget af magnetiske datateknologier. Indtil nu, imidlertid, elektrisk feltstyring af magnetisering kræver høje spændinger eller er begrænset til lave temperaturer.

Som en ny tilgang til spændingsinduceret magnetiseringskobling, forskerholdet udnyttede de specifikke egenskaber ved ferrimagneter. Ferrimagneter tilbyder en multi-sublattice-konfiguration med subgitter-magnetiseringer af forskellige størrelser, der er modsat hinanden. Nettomagnetiseringen opstår ved tilføjelse af subgitterbidragene. Ferrimagneter har også teknologiske fordele i forhold til konventionelt brugte ferromagneter, som de giver mulighed for, for eksempel, hurtig spindynamik.

For ferrimagnetisk gadolinium-cobalt (GdCo) kunne forskerne påvise, at de relative subgittermagnetiseringer kan ændres reversibelt ved spændingsinduceret brintbelastning/-aflæsning. For det, GdCo blev kombineret med et gadoliniumoxid (GdOx) lag som faststofelektrolyt og et palladium (Pd) mellemlag. Ved at påføre en portspænding over strukturen, protoner drives til bundelektroden og fører til hydrogenering af Pd/GdCo-laget. Indføringen af ​​brint i GdCo-gitteret fører til en stærkere reduktion af subgitterets magnetisering af Gd end af Co. Denne såkaldte magneto-ioniske effekt er stabil over mere end 10.000 cyklusser. Det kunne bevises ved element-specifik X-ray magnetisk cirkulær dichroism (XMCD) spektroskopi og er grundlaget for den demonstrerede magnetiseringsskift.

For at opnå 180° magnetiseringsvending uden eksterne magnetfelter, forskerne funktionaliserede GdCo/Pd/GdOx-lagstrukturen med et ekstra antiferromagnetisk nikkeloxid (NiO) lag. Her, de drager fordel af den såkaldte "Exchange Bias"-effekt. Denne effekt opstår, når ferri- eller ferromagnetiske lag sættes i kontakt med et antiferromagnetisk lag. Den er baseret på koblingen af ​​grænseflademagnetiske spins og fører til fastgørelse af ferro/ferrimagnetens magnetiseringsretning. Exchange bias-effekten bruges, f.eks., i magnetiske sensorer i læsehoveder på harddiske for at fastgøre magnetiseringsretningen for et referencelag. For ferromagnetisk GdCo, kontakten til det antiferromagnetiske NiO fører til en fastgørelse af retningen af ​​subgittermagnetiseringerne. I dette tilfælde, under den magneto-ioniske omskiftning, netmagnetiseringen skifter 180°. Dette betyder, for første gang, en rent elektrisk feltstyret magnetiseringsvending uden hjælp fra et magnetfelt.

Prof. Karin Leistner og Dr. Jonas Zehner bragte deres ekspertise i overførsel af magneto-ionisk kontrol til udvekslingsbiassystemer. "Min gruppe studerer intensivt kombinationen af ​​magneto-ioniske systemer med aniferromagnetiske lag, og vi er nu eksperter i magneto-ionisk kontrol af udvekslingsbias, " forklarer prof. Karin Leistner. I løbet af sin ph.d.-tid i Karin Leistners forskningsgruppe ved IFW Dresden, Jonas Zehner benyttede lejligheden til et seks måneders forskningsophold i gruppen af ​​Prof. Beach ved MIT. Under dette forskningsophold, sammen med prof. Karin Leistner og prof. Geoffrey Beach, Jonas Zehner initierede og optimerede den udvekslings-bias-lagstruktur, der kræves til 180° magnetiseringsvendingen. For det, han kombinerede først det magneto-ioniske modelsystem Co/GdOx med antiferromagnetisk NiO. Han forberedte tyndfilmssystemer ved magnetronsputtering og analyserede tykkelsens indflydelse, sammensætning og lagsekvens på den resulterende udvekslingsbias og magneto-ionisk kontrol. De magnetiske egenskaber under brintbelastning blev målt med en hjemmebygget magneto-optisk Kerr Effect-opsætning. Med disse eksperimenter, han opdagede, at et ultratyndt Pd-lag mellem GdCo og NiO er afgørende for at stabilisere udvekslingsbias-effekten.