Het snelgroeiende veld van spintronica maakt gebruik van elektronenspins - in tegenstelling tot hun lading - om solid-state apparaten zoals harde schijven en mobiele telefooncomponenten te verbeteren door de levensduur van de batterij te verlengen. Spintronische ontwikkelingen, echter, lopen steeds meer tegen een barrière aan die bekend staat als de Slater-Pauling-limiet, het maximum voor hoe strak een materiaal zijn magnetisatie kan inpakken. Nutsvoorzieningen, een nieuwe dunne film staat op het punt deze decennia-oude benchmark te doorbreken.

Een team van onderzoekers van de Montana State University en het Lawrence Berkeley National Laboratory kondigt deze week aan in: Technische Natuurkunde Brieven , dat ze een stabiele dunne film van ijzer construeerden, kobalt en mangaan met een gemiddeld atoommoment dat mogelijk 50 procent groter is dan de Slater-Pauling-limiet. Gemaakt met een techniek die bekend staat als moleculaire bundel epitaxie (MBE), de ternaire lichaamsgecentreerde kubische (bcc) legering heeft een magnetisatiedichtheid van 3,25 Bohr-magnetons per atoom, overtreft het eerder overwogen maximum van 2,45.

"Wat we hebben is een potentiële doorbraak in een van de belangrijkste parameters van magnetische materialen, " zei Yves Idzerda, een auteur op het papier van de Montana State University. "Grote magnetische momenten zijn als de sterkte van staal - hoe groter hoe beter."

De Slater-Pauling-curve beschrijft de magnetisatiedichtheid voor legeringen. Al decenia, ijzer-kobalt (FeCo) binaire legeringen hebben opperste geregeerd, het plaatsen van een maximaal gemiddeld atoommoment van 2,45 Bohr-magnetons per atoom en het definiëren van de huidige limiet voor stabiele legeringsmagnetisatiedichtheid. Eerder, onderzoekers mengden FeCo-legeringen met overgangsmetalen met een hoog magnetisch moment, zoals mangaan. Wanneer deze ternaire legeringen worden gemaakt, echter, ze verliezen veel van hun bcc-structuur, een belangrijk onderdeel van hun hoge magnetisme.

In plaats daarvan, dit team wendde zich tot MBE, een nauwgezette techniek vergelijkbaar met het draperen van een substraat met kralen van individuele metaalatomen, één laag per keer, om een ​​10-20 nanometer film van Fe . te maken ₉ Co ₆₂ Mn ₂₉ . Ongeveer 60 procent van de beschikbare composities behield de bcc-structuur als een dunne film, vergeleken met slechts 25 procent in bulk.

Om de samenstelling en structuur van de legering beter te begrijpen, de groep gebruikte röntgenabsorptiespectroscopie en reflectie met hoge energie-elektronendiffractie. De resultaten van het röntgenmagnetische circulair dichroïsme toonden aan dat het nieuwe materiaal een gemiddeld atoommoment van 3,25 Bohr-magnetons per atoom opleverde. Wanneer getest met een meer standaard vibrerende monstermagnetometrie, hoewel deze magnetisatiedichtheid daalde, het was nog steeds aanzienlijk boven de Slater-Pauling-limiet - 2,72.

Idzerda zei dat deze discrepantie gebieden voor toekomstig onderzoek zal opleveren, eraan toevoegend dat de interface tussen mangaan en het substraat in het kristal de opening zou kunnen verklaren.

"Ik heb hier optimisme voor bewaard omdat de techniek die we gebruikten een beetje niet-standaard is en we de gemeenschap moeten overtuigen van de prestaties van dit materiaal, ' zei Idzerda.

Idzerda en zijn team gaan nu de robuustheid van ijzer-kobalt-mangaanlegeringen onderzoeken, en efficiëntere fabricagetechnieken. Ze zijn ook van plan te onderzoeken hoe moleculaire bundelepitaxie kan leiden tot andere zeer magnetische dunne films, mogelijk door vier of meer overgangsmetalen te mengen.