กลไก “แยก” อิเล็กตรอนหมุนในวัสดุแม่เหล็ก – สามารถเปิดใช้งานอุปกรณ์หน่วยความจำใหม่ที่ประหยัดพลังงาน

แนวคิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าพลังงาน

นักวิทยาศาสตร์ค้นพบกลยุทธ์ในการเปลี่ยนการสะกดจิตในชั้นบางๆ ของเฟอร์โรแม่เหล็ก ซึ่งเป็นเทคนิคที่อาจนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์หน่วยความจำแม่เหล็กที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น (แนวคิดของศิลปิน.)

นักวิจัยของ Cornell ระบุแนวทางในการเปลี่ยนการสะกดจิตในชั้นบางๆ ของเฟอร์โรแม่เหล็กโดยจับวัสดุที่เหมาะสมไว้ที่มุมขวา ซึ่งเป็นเทคนิคที่อาจนำไปสู่การพัฒนาอุปกรณ์หน่วยความจำแม่เหล็กที่ประหยัดพลังงานมากขึ้น

บทความของทีมวิจัยเรื่อง “Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromanet Ruthenium Dioxide” ได้รับการตีพิมพ์ในวันนี้ (5 พฤษภาคม พ.ศ. 2565) ในวารสาร อิเล็กทรอนิกส์ธรรมชาติ. ผู้เขียนนำร่วมของบทความนี้ ได้แก่ นักวิจัยดุษฎีบัณฑิต Arnab Bose และนักศึกษาปริญญาเอก Nathaniel Schreiber และ Rakshit Jain

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่นักฟิสิกส์พยายามที่จะเปลี่ยนทิศทางการหมุนของอิเล็กตรอนในวัสดุแม่เหล็กโดยจัดการพวกมันด้วยสนามแม่เหล็ก แต่นักวิทยาศาสตร์รวมถึง Dan Ralph, FR Newman Professor of Physics ใน College of Arts and Sciences และผู้เขียนอาวุโสของหนังสือพิมพ์ กลับมองว่าการใช้กระแสหมุนที่ส่งโดยอิเล็กตรอน ซึ่งมีอยู่เมื่ออิเล็กตรอนมีการหมุนส่วนใหญ่ในทิศทางเดียว

เมื่อกระแสสปินเหล่านี้โต้ตอบกับชั้นแม่เหล็กบาง ๆ พวกมันจะถ่ายเทโมเมนตัมเชิงมุมและสร้างแรงบิดมากพอที่จะเปลี่ยนการทำให้เป็นแม่เหล็กได้ 180 องศา (กระบวนการเปลี่ยนการวางแนวแม่เหล็กนี้คือการเขียนข้อมูลในอุปกรณ์หน่วยความจำแม่เหล็ก)

กลุ่มของราล์ฟได้มุ่งเน้นไปที่การหาวิธีควบคุมทิศทางของการหมุนในกระแสหมุนโดยการสร้างพวกมันด้วยวัสดุต้านสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในแอนตีเฟอโรแมกเนติก อิเล็กตรอนตัวอื่นๆ จะหมุนไปในทิศทางตรงกันข้าม ดังนั้นจึงไม่มีการดึงดูดด้วยแม่เหล็ก

“โดยพื้นฐานแล้ว คำสั่งต้านสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสามารถลดสมมาตรของตัวอย่างลงได้มากพอที่จะยอมให้กระแสการหมุนที่แปลกใหม่เกิดขึ้นได้” ราล์ฟกล่าว “กลไกของแอนตีเฟอโรแมกเนติกดูเหมือนจะให้กระแสสปินที่ค่อนข้างแรงด้วยเช่นกัน”

ทีมงานได้ทำการทดลองกับแอนติเฟอโรแม่เหล็ก รูทีเนียม ไดออกไซด์ และวัดว่ากระแสการหมุนของมันเอียงการทำให้เกิดแม่เหล็กในชั้นบางๆ ของแม่เหล็กเหล็กนิกเกิล[{” attribute=””>alloy called Permalloy, which is a soft ferromagnet. In order to map out the different components of the torque, they measured its effects at a variety of magnetic field angles.

“We didn’t know what we were seeing at first. It was completely different from what we saw before, and it took us a lot of time to figure out what it is,” Jain said. “Also, these materials are tricky to integrate into memory devices, and our hope is to find other materials that will show similar behavior which can be integrated easily.”

The researchers eventually identified a mechanism called “momentum-dependent spin splitting” that is unique to ruthenium oxide and other antiferromagnets in the same class.

“For a long time, people assumed that in antiferromagnets spin up and spin down electrons always behave the same. This class of materials is really something new,” Ralph said. “The spin up and spin down electronic states essentially have different dependencies. Once you start applying electric fields, that immediately gives you a way of making strong spin currents because the spin up and spin down electrons react differently. So you can accelerate one of them more than the other and get a strong spin current that way.”

This mechanism had been hypothesized but never before documented. When the crystal structure in the antiferromagnet is oriented appropriately within devices, the mechanism allows the spin current to be tilted at an angle that can enable more efficient magnetic switching than other spin-orbit interactions.

Now, Ralph’s team is hoping to find ways to make antiferromagnets in which they can control the domain structure – i.e., the regions where the electrons’ magnetic moments align in the same direction – and study each domain individually, which is challenging because the domains are normally mixed.

Eventually, the researchers’ approach could lead to advances in technologies that incorporate magnetic random-access memory.

“The hope would be to make very efficient, very dense and nonvolatile magnetic memory devices that would improve upon the existing silicon memory devices,” Ralph said. “That would allow a real change in the way that memory is done in computers because you’d have something with essentially infinite endurance, very dense, very fast, and the information stays even if the power is turned off. There’s no memory that does that these days.”

Reference: “Tilted spin current generated by the collinear antiferromagnet ruthenium dioxide” by Arnab Bose, Nathaniel J. Schreiber, Rakshit Jain, Ding-Fu Shao, Hari P. Nair, Jiaxin Sun, Xiyue S. Zhang, David A. Muller, Evgeny Y. Tsymbal, Darrell G. Schlom and Daniel C. Ralph, 5 May 2022, Nature Electronics.
DOI: 10.1038/s41928-022-00744-8

Co-authors include former postdoctoral researcher Ding-Fu Shao; Hari Nair, assistant research professor of materials science and engineering; doctoral students Jiaxin Sun and Xiyue Zhang; David Muller, the Samuel B. Eckert Professor of Engineering; Evgeny Tsymbal of the University of Nebraska; and Darrell Schlom, the Herbert Fisk Johnson Professor of Industrial Chemistry.

The research was supported by the U.S. Department of Energy, the Cornell Center for Materials Research (CCMR), with funding from the National Science Foundation’s Materials Research Science and Engineering Center program, the NSF-supported Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM), the Gordon and Betty Moore Foundation’s EPiQS Initiative, and the NSF’s Major Instrument Research program.

The devices were fabricated using the shared facilities of the Cornell NanoScale Science and Technology Facility and CCMR.

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*