condensatoren, elektronische componenten die een lading opslaan en snel weer vrijgeven, spelen een belangrijke rol in veel soorten elektrische circuits. Ze zullen een even belangrijke rol spelen in spintronic-apparaten van de volgende generatie, die profiteren van niet alleen elektronenlading maar ook spin - het kleine magnetische moment van elk elektron.

Twee jaar geleden, een internationaal team van onderzoekers toonde aan dat door het manipuleren van elektronenspin op een kwantummagnetische tunneling-junctie - een sandwich op nanoschaal gemaakt van twee metalen elektroden met een isolator in het midden - ze een grote toename van de capaciteit van de junctie konden veroorzaken.

Nutsvoorzieningen, datzelfde onderzoeksteam heeft het script omgedraaid over het fenomeen, bekend als magnetocapaciteit. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , ze laten zien dat door verschillende materialen te gebruiken om een ​​quantumtunneling-junctie te bouwen, ze waren in staat om de capaciteit te veranderen door spins op de tegenovergestelde manier te manipuleren van "normale" magnetocapaciteit. Dit omgekeerde effect, zeggen de onderzoekers, voegt nog een potentieel nuttig fenomeen toe aan de spintronica-toolkit.

"Het geeft ons meer parameterruimte om apparaten te ontwerpen, " zei Gang Xiao, voorzitter van de afdeling natuurkunde van Brown en een van de co-auteurs van het artikel. "Soms is de normale capaciteit beter, soms is het omgekeerde beter, afhankelijk van de toepassing. Dat geeft ons wat meer flexibiliteit."

Magnetocondensatoren kunnen bijzonder nuttig zijn, Xiao zegt, bij het maken van magnetische sensoren voor een reeks verschillende spintronische apparaten, inclusief harde schijven van computers en nieuwe generatie RAM-geheugenchips.

Het onderzoek was een samenwerking tussen Xiao's lab in Brown, het lab van Hideo Kaiju en Taro Nagahama aan de Japanse Hokkaido University en het lab van Osamu Kitakami aan de Tohoku University.

Xiao doet al enkele jaren onderzoek naar magnetische tunnelovergangen. De kleine knooppunten kunnen op vrijwel dezelfde manier werken als condensatoren in standaardcircuits. De isolator tussen de twee geleidende elektroden vertraagt ​​de vrije stroom van stroom over de junctie, weerstand creëren en een ander fenomeen, capaciteit.

Maar wat tunneling-juncties vooral interessant maakt, is dat de hoeveelheid capaciteit dynamisch kan worden gewijzigd door de spins van de elektronen in de twee metalen elektroden te manipuleren. De elektroden zijn magnetisch, wat betekent dat elektronen die in elke elektrode ronddraaien, in een bepaalde richting zijn gericht. De relatieve spinrichting tussen twee elektroden bepaalt hoeveel capaciteit op de junctie aanwezig is.

In hun eerste werk over dit fenomeen, Xiao en het onderzoeksteam lieten zien hoe groot de verandering in capaciteit zou kunnen zijn. Met behulp van elektroden gemaakt van ijzer-kobalt-boor, ze toonden aan dat door spins van anti-parallel naar parallel te draaien, ze zouden de capaciteit in experimenten met 150 procent kunnen verhogen. Op basis van die resultaten, het team ontwikkelde een theorie die voorspelde dat, onder ideale omstandigheden, de verandering in capaciteit kan zelfs oplopen tot 1, 000 procent.

De theorie suggereerde ook dat het gebruik van elektroden gemaakt van verschillende soorten metalen een omgekeerd magnetocapaciteitseffect zou creëren, een waarin anti-parallelle spins meer capaciteit creëren dan parallelle spins. Dat is precies wat ze lieten zien in dit laatste onderzoek.

"We gebruikten ijzer voor de ene elektrode en ijzeroxide voor de andere, Xiao zei. "De elektrische eigenschappen van de twee zijn spiegelbeelden van elkaar, daarom hebben we dit inverse magnetocapaciteitseffect waargenomen."

Xiao zegt dat de bevindingen niet alleen een grotere parameterruimte suggereren voor het gebruik van magnetocapaciteit in spintronische apparaten, ze bieden ook belangrijke verificatie voor de theorie die wetenschappers gebruiken om het fenomeen te verklaren.

"Nu zien we dat de theorieën goed passen bij het experiment, zodat we erop kunnen vertrouwen dat we onze theoretische modellen gebruiken om deze effecten te maximaliseren, ofwel het 'normale' effect of het omgekeerde effect dat we hier hebben aangetoond, ' zei Xiao.