Een nieuwe experimentele ontdekking, geleid door onderzoekers van de Universiteit van Minnesota, toont aan dat het chemische element ruthenium (Ru) het vierde afzonderlijke element is met unieke magnetische eigenschappen bij kamertemperatuur. De ontdekking kan worden gebruikt om sensoren te verbeteren, apparaten in de computergeheugen- en logica-industrie, of andere apparaten die magnetische materialen gebruiken.

Het gebruik van ferromagnetisme, of het basismechanisme waardoor bepaalde materialen (zoals ijzer) permanente magneten vormen of door magneten worden aangetrokken, gaat terug tot in de oudheid toen lodestone werd gebruikt voor navigatie. Sindsdien zijn er slechts drie elementen op het periodiek systeem gevonden die ferromagnetisch zijn bij kamertemperatuur:ijzer (Fe), kobalt (Co), en nikkel (Ni). Het zeldzame-aarde-element gadolinium (Gd) mist bijna slechts 8 graden Celsius.

Magnetische materialen zijn erg belangrijk in de industrie en moderne technologie en zijn gebruikt voor fundamentele studies en in veel alledaagse toepassingen zoals sensoren, elektrische motoren, generatoren, harde schijf media, en meest recent spintronische herinneringen. Aangezien de dunnefilmgroei de afgelopen decennia is verbeterd, net als het vermogen om de structuur van kristalroosters te beheersen - of zelfs structuren te forceren die in de natuur onmogelijk zijn. Deze nieuwe studie toont aan dat Ru het vierde ferromagnetische materiaal met één element kan zijn door ultradunne films te gebruiken om de ferromagnetische fase te forceren.

De details van hun werk zijn gepubliceerd in het meest recente nummer van Natuurcommunicatie . De hoofdauteur van het artikel is een recente Ph.D. afgestudeerd Patrick Quarterman, die een National Research Council (NRC) postdoctoraal fellow is bij het National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Magnetisme is altijd verbazingwekkend. Het bewijst zichzelf opnieuw. We zijn verheugd en dankbaar dat we de eerste groep zijn die experimenteel demonstreert en het vierde ferromagnetische element bij kamertemperatuur toevoegt aan het periodiek systeem, " zei Robert F. Hartmann, hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Minnesota, Jian-Ping Wang, de corresponderende auteur voor het papier en de adviseur van Quarterman.

"Dit is een spannend maar moeilijk probleem. Het kostte ons ongeveer twee jaar om een ​​juiste manier te vinden om dit materiaal te kweken en te valideren. Dit werk zal de magnetische onderzoeksgemeenschap ertoe aanzetten om fundamentele aspecten van magnetisme voor veel bekende elementen te onderzoeken, " voegde Wang eraan toe.

Ook andere leden van het team benadrukten het belang van dit werk.

"Het vermogen om materie op atomaire schaal te manipuleren en te karakteriseren is de hoeksteen van de moderne informatietechnologie, " zei co-auteur van de studie Paul Voyles, een Beckwith-Bascom Professor en voorzitter van de afdeling Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Onze samenwerking met de groep van professor Wang aan de Universiteit van Minnesota laat zien dat deze tools zelfs in de eenvoudigste systemen nieuwe dingen kunnen vinden. bestaande uit slechts een enkel element."

Industriepartners zijn het erover eens dat samenwerking de sleutel is tot innovatie

"Intel is verheugd met de langdurige onderzoekssamenwerking die het heeft met de Universiteit van Minnesota en C-SPIN [Center for Spintronic Materials, interfaces, en nieuwe architecturen], zei Ian A. Young, Senior Fellow en directeur bij Intel Corporation. "We zijn verheugd om deze ontwikkelingen te delen die mogelijk zijn gemaakt door het gedrag van kwantumeffecten in materialen te onderzoeken, die inzichten kunnen bieden voor innovatieve, energiezuinige logische en geheugenapparaten." Andere leiders in de sector zijn het erover eens dat deze ontdekking een impact zal hebben op de halfgeleiderindustrie.

"Spintronic-apparaten zijn van snel toenemend belang voor de halfgeleiderindustrie, " zei Todd Younkin, de directeur van door Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) gesponsorde consortia bij Semiconductor Research Corporation (SRC). "Fundamentele vooruitgang in ons begrip van magnetische materialen, zoals die aangetoond in deze studie door professor Wang en zijn team, is van cruciaal belang voor het realiseren van voortdurende doorbraken in computerprestaties en efficiëntie."

Nieuwe technologieën vereisen nieuwe materialen

Magnetische opname is nog steeds de dominante speler in de technologie voor gegevensopslag, maar op magnetisch gebaseerd willekeurig toegankelijk geheugen en computergebruik beginnen zijn plaats in te nemen. Deze magnetische geheugens en logische apparaten leggen extra beperkingen op aan de magnetische materialen, waar gegevens worden opgeslagen en berekend, vergeleken met traditionele magnetische materialen voor harde schijven. Deze drang naar nieuwe materialen heeft geleid tot hernieuwde belangstelling voor pogingen om voorspellingen te realiseren die aantonen dat onder de juiste omstandigheden, niet-ferromagnetische materialen, zoals Ru, palladium (Pd) en osmium (Os) kunnen ferromagnetisch worden.

Voortbouwend op de gevestigde theoretische voorspellingen, onderzoekers van de Universiteit van Minnesota gebruikten zaadlaagtechniek om de tetragonale fase van Ru te forceren, die de voorkeur geeft aan een zeshoekige configuratie, en observeerde de eerste instantie van ferromagnetisme in een enkel element bij kamertemperatuur. De kristalstructuur en magnetische eigenschappen werden uitgebreid gekarakteriseerd door samen te werken met de Characterization Facility van de University of Minnesota en collega's van de University of Wisconsin.

De onderzoekers zeiden dat deze studie de deur opent naar fundamentele studies van deze nieuwe ferromagnetische Ru. Vanuit een toepassingsperspectief, Ru is interessant omdat het bestand is tegen oxidatie, en aanvullende theoretische voorspellingen beweren dat het een hoge thermische stabiliteit heeft - een essentiële vereiste voor het schalen van magnetische geheugens. Onderzoek van deze hoge thermische stabiliteit is de focus van lopend onderzoek aan de Universiteit van Minnesota.