PSI-wetenschappers hebben een fundamenteel begrip gekregen van een veelbelovend materiaal dat geschikt zou kunnen zijn voor toekomstige toepassingen voor gegevensopslag. Hun experimenten met strontium-iridiumoxide, sr ₂ IrO ₄ , onderzocht zowel de magnetische als elektronische eigenschappen van het materiaal als een dunne film. Ze analyseerden ook hoe deze eigenschappen systematisch kunnen worden gecontroleerd door de films te manipuleren. Deze studie werd mogelijk gemaakt door geavanceerde röntgenverstrooiing, een technologie waarbij PSI-onderzoekers tot de wereldexperts behoren. De resultaten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences .

In hun zoektocht naar de magnetische dataopslag van de toekomst, onderzoekers zoeken geschikte materialen met eigenschappen die zo flexibel mogelijk kunnen worden aangepast. Een veelbelovende kandidaat is strontium-iridiumoxide, een metaaloxide met de chemische notatie Sr ₂ IrO ₄ . PSI-wetenschappers hebben dit materiaal onderzocht, samenwerken met collega's in Polen, de VS en Frankrijk.

"Het sleutelwoord van ons onderzoek is spintronica, " legt Thorsten Schmitt uit, Hoofd van de PSI-onderzoeksgroep voor spectroscopie van nieuwe materialen. Spintronica gebruikt zowel de elektrische lading van het elektron als zijn interne spin om geavanceerde elektronische componenten te ontwikkelen.

Spintronics wordt al gebruikt in de harde schijven van vandaag, maar de eigenschappen van de gebruikte materialen zijn gebaseerd op "normaal" magnetisme:ferromagneten zoals ijzer of nikkel waarbij de spins parallel zijn gerangschikt. Hun nadeel is de relatief grote afstand die nodig is tussen de ferromagnetische gegevensopslagpunten, d.w.z., de stukjes, om kruisinterferentie te voorkomen.

Experts geloven dat antiferromagnetische materialen een veelbelovend alternatief kunnen bieden, omdat hun spins in tegengestelde richtingen zijn gerangschikt. extern bekeken, antiferromagnetische materialen zijn daarom magnetisch neutraal. Daarom zou een antiferromagnetisch bit zijn buurman niet storen. "Deze stukjes kunnen strakker op elkaar worden gepakt, zodat er meer gegevens op dezelfde ruimte kunnen worden opgeslagen, "zegt Schmitt. "Bovendien, het lezen en schrijven van gegevens is veel sneller."

Strontium-iridiumoxide is zo'n antiferromagnetisch materiaal. Het is in wezen een kristal waarin de iridium- en zuurstofatomen tinyoctaëders vormen. "We noemen dit een perovskietstructuur, " legt Milan Radovic uit, een natuurkundige bij PSI en co-auteur van de nieuwe studie. "Het is een ideaal materiaal om zijn functionele eigenschappen systematisch te manipuleren, ", voegt Radovic toe.

Dunne films manipuleren

Om een ​​dergelijke manipulatie uit te voeren en meer te weten te komen over de eigenschappen van dit veelbelovende materiaal, PSI-wetenschappers pasten een dunne, kristallijne laag van Sr ₂ IrO ₄ als de hoofdfilm op verschillende kristallijne substraten. Het idee is dat het substraat ertoe leidt dat de kristallijne structuur van de aangebrachte film wordt vervormd. "Het is alsof we ons materiaal op het niveau van de atomen trekken of samendrukken, " legt Schmitt uit. Dit zorgt ervoor dat de perovskiet-octaëders draaien en iets tegen elkaar verschuiven, uiteindelijk veranderen de eigenschappen van het materiaal als geheel.

Deze methode maakt het mogelijk om de magnetische en elektronische eigenschappen van het materiaal systematisch te verfijnen. En aangezien dit soort materiaal al wordt gebruikt in elektronische componenten in de vorm van dunne films, het ontwikkelen van toepassingen op dit gebied zou een logische volgende stap zijn.

Een globaal beeld krijgen

Voor een grondige analyse van hun monsters, PSI-wetenschappers gebruikten een speciale röntgentechniek die sterk is ontwikkeld door PSI, bekend als Resonant Inelastische X-Ray-Scattering, of kortweg RIXS. Bij PSI gebruikten de onderzoekers zachte röntgenstralen om hun RIXS-experimenten uit te voeren. Het onderzoek in Zwitserland werd aangevuld met aanvullende precisiemetingen met harde röntgenstralen van hogere energie, uitgevoerd bij de European Synchrotron Radiation Facility in Grenoble en de Advanced Photon Source in Argonne, ONS..

"De meeste methoden richten zich afzonderlijk op het magnetisme of de elektronische eigenschappen, " legt Schmitt uit. "Met RIXS, anderzijds, we kunnen beide eigenschappen met dezelfde meting onderzoeken en direct met elkaar vergelijken. Kortom:we hebben met succes een globaal beeld gekregen van ons monster."

De onderzoekers konden ontdekken hoe de elektronische eigenschappen veranderen wanneer het kristalrooster van de Sr ₂ IrO ₄ film is vervormd, en hoe deze ontwikkeling is gekoppeld aan de verandering in magnetisme. Beide gaan hand in hand en leveren belangrijke bevindingen op voor mogelijke toepassingen.

Supergeleiders als paradigma

specifiek, de groep slaagde erin het strontium-iridiumoxide te modificeren zodat de magnetische eigenschappen een andere klasse van fascinerende materialen nabootsen:supergeleiders voor hoge temperaturen die zijn samengesteld uit koperoxidelagen, ook wel cuprates genoemd. Deze hebben ook een perovskiet-achtige structuur. In hun experiment hebben PSI-wetenschappers trokken en verdraaiden de Sr ₂ IrO ₄ film zodat de atomaire afstanden in het kristalrooster uitzetten en bovendien een rotatie optrad. "Hierdoor konden we het materiaal de eigenschappen van een cupraat laten repliceren, ", zegt Schmitt. "Echter, we zijn nog ver verwijderd van de productie van een nieuwe supergeleider, " hij zegt, voordat iemand hoop krijgt. Ook denkt hij dat het nog 10 of 20 jaar kan duren voordat de huidige bevindingen mogelijk zullen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe dataopslagtoepassingen. "Onze taak is om fundamenteel onderzoek te doen. Dit is van cruciaal belang als springplank naar de toekomstige ontwikkeling van nieuwe materialen."