Fysikere skifter magnetisk tilstand ved hjælp af spinstrøm

Da Carnegie Mellon University ph.d.-kandidater I-Hsuan Kao og Ryan Muzzio begyndte at arbejde sammen, slog en kontakt til. Så afsted.

Kao, Muzzio og andre forskningspartnere, der arbejdede i Institut for Fysik 'Laboratorium for Undersøgelse af Kvantematerialer, Grænseflader og Enheder (LIQUID) Group, var i stand til at vise proof of concept, at føring af en elektrisk strøm gennem et nyt todimensionelt materiale kunne kontrollere magnetisk tilstand af et tilstødende magnetisk materiale uden behov for at påføre et eksternt magnetfelt.

Det banebrydende arbejde, som blev offentliggjort i Nature Materials i juni og har et relateret patent anmeldt, har potentielle applikationer til datalagring i forbrugerprodukter såsom digitale kameraer, smartphones og bærbare computere.

"Det, vi gør her, er at bruge ultratynde materialer - ofte tykkelsen af ​​få atomer - og stable dem oven på hinanden for at skabe enheder af høj kvalitet," sagde Kao (til højre), som var første forfatter på papiret.

Simranjeet Singh, en assisterende professor i fysik og Jyoti Katoch, en assisterende professor i fysik, fører tilsyn med LIQUID Group, som undersøger de iboende fysiske egenskaber af todimensionelle kvantematerialer såsom wolfram ditelluride (WTe₂ ) og deres elektroniske og spin-relaterede egenskaber.

"Spins og magnetisme er overalt omkring os," sagde Singh. "Atomer konfigureres på en bestemt måde på et atomgitter, der igen dikterer materialeegenskaber. For WTe₂ , den har en krystalstruktur med lav symmetri, der giver os mulighed for at generere en speciel form for spinstrøm ved at påføre et elektrisk felt."

Den måde, atomer er konfigureret på i WTe₂ giver mulighed for en ud-af-planet orienteret spinstrøm, der igen kan bruges til at styre magnetiseringstilstanden af ​​en magnet. Singh sagde, at for at skifte den magnetiske tilstand (op eller ned) af de fleste magnetiske materialer ved hjælp af spinstrøm, der er undersøgt indtil videre, påføres et magnetfelt horisontalt eller i plan. At have et materiale, der kan skifte magnetisme uden behov for et eksternt magnetfelt, kan føre til energieffektiv datalagring og logiske enheder.

Arbejdet kunne anvendes på magnetoresistive random-access memory (MRAM)-enheder, som har potentialet til at realisere højhastigheds- og tætpakkede datalagringsbits, mens de bruger mindre strøm.

"Folk kan gøre dette allerede, du kan tage et materiale, anvende et elektrisk felt for at generere in-planet orienteret spinstrøm og bruge det til at skifte magnetiseringen fra en op-tilstand til en ned-tilstand eller omvendt, men det kræver en ekstern magnetfelt," sagde Muzzio (til venstre). "Det, dette bunder i, er at finde et materiale, der har den iboende egenskab, der inkluderer brydende symmetri."

Kao bragte ekspertise om magnetisme, mens Muzzio forstod, hvordan man byggede enhederne samt studerede elektronernes adfærd i materialesystemer. For at vise, at adfærden var reproducerbar, skabte Kao og Muzzio mere end 20 enheder over to år.

De simple enheder er minimale og gør det muligt for en kontakt enten at blive drejet i en op-position eller en ned-position, tænk på det som nuller og ettaller i binært, sagde Kao. Selvom enhederne kan være 3-50 mikrometer i længden eller bredden, er tykkelsen mindre end 1/200 af et menneskehår.

"Vi har lige ridset overfladen af, hvad dette materiale kan gøre," sagde Muzzio. "Der er så meget mere parameterplads for os at udforske og så mange måder at bruge dette materiale på. Dette er kun begyndelsen." + Udforsk yderligere

En firetaktsmotor til atomer