Een team van onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft bepaald hoe waterstofionen moeten worden gebruikt, "gepompt" uit water in de lucht bij kamertemperatuur, om magnetisme elektrisch te regelen binnen een zeer dun monster van een magnetisch materiaal. Deze benadering voor het manipuleren van magnetische eigenschappen zou de vooruitgang in computergebruik kunnen versnellen, sensoren, en andere technologieën.

Het onderzoek, beschreven in de 12 november 2018, online editie van Natuurmaterialen , werd gedeeltelijk uitgevoerd in Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De maten, genomen bij NSLS-II's Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) bundellijn, waren cruciaal bij het onthullen van het betrokken microscopische mechanisme, in het bijzonder de aanwezigheid van waterstofionen in het monster en hun rol in de veranderingen van de magnetische structuur van het monster.

Op weg naar mainstream spintronica

Een van de verschillende mogelijke toepassingen van dit onderzoek is het potentieel om een ​​nieuw platform te worden voor het zich ontwikkelende veld van spintronica, apparaten die niet alleen gebaseerd zijn op elektronische lading, maar ook op elektronische spin, de ingebouwde eigenschap van een elektron waardoor het als een kleine magneet werkt.

In tegenstelling tot standaard elektronica, die gebaseerd zijn op complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS) (gebruikt om elk van de miljarden transistors in een microchip te maken), spintronische apparaten zijn gebouwd op magnetische materialen, die magnetische atomen bevatten, zoals ijzer of mangaan. Spintronica-apparaten kunnen hun magnetische eigenschappen behouden zonder een constante stroomtoevoer, in tegenstelling tot standaard microchips, en, omdat ze beduidend minder warmte genereren, zijn energiezuiniger.

"Nu CMOS-technologieën het einde van hun roadmap naderen, spin-gebaseerde apparaten worden op grote schaal nagestreefd voor het voorbij-CMOS-tijdperk, " zei de hoofdonderzoeker van de studie, MIT's Geoffrey Beach, een professor in materiaalkunde en engineering en co-directeur van het MIT Materials Research Laboratory. "Een van de vereisten om spintronica in de mainstream te brengen, is een effectieve manier om magnetisme elektrisch te beheersen. we proberen een magnetische analoog van een transistor te maken."

Een benadering om deze controle te bereiken, is door ionen in de structuur in te brengen die tussen de lagen kunnen bewegen en het elektromagnetische gedrag ervan kunnen moduleren. Dit wordt magneto-ionisch schakelen genoemd. Onderzoekers hebben al enkele veelbelovende resultaten opgeleverd, maar de soorten ionen die in eerdere onderzoeken werden gebruikt, veroorzaakten meer problemen dan ze oplosten. In dit onderzoek, het team was in staat om een ​​aantal van deze problemen te verhelpen met behulp van waterstofionen (H+), die relatief onschadelijk zijn en ook de kleinst mogelijke ionen, waardoor ze ideaal zijn voor het induceren van snelle door elektrische velden aangestuurde veranderingen in solid-state structuren.

"Magneto-ionisch schakelen is een belangrijke weg naar elektrisch manipuleren van magnetisme bij laag vermogen, " zei hoofdonderzoeker van Brookhaven, Wen Hu, een beamline-wetenschapper bij de CSX beamline. "Waterstof-ion migratie, gecontroleerd door elektrische spanningen, speelt een sleutelrol in dit onderzoek en kan mogelijk leiden tot nieuwe spintronische apparaattoepassingen."

Röntgenstralen bevestigen de protonpomp

De onderzoekers demonstreerden het gebruik van waterstofionen voor omkeerbare magneto-ionische omschakeling in een gelaagde structuur bestaande uit een platinabasis, kobalt, palladium, gadoliniumoxide, en een gouden contact om het af te maken. Palladium (Pd) staat bekend om zijn vermogen om waterstof op te slaan in de "hoekjes" van zijn atoomrooster. Het plaatsen van een spanning over het monster, en afwisselend een positieve en negatieve spanning, kan waterstof in en uit de Pd-laag pompen, het magnetisme heen en weer schakelen van out-of-plan naar in-plan. Dit is de eerste keer dat wetenschappers reversibele "hydriden" van een zwaar metaal hebben aangetoond.

Om te verifiëren dat de waterstof in de Pd-laag was ingebracht, de groep voerde röntgenabsorptiespectroscopie (XAS) uit bij de CSX-bundellijn. CSX biedt onderzoekers ultramoderne hulpmiddelen voor zachte röntgenverstrooiing en beeldvorming, en is ontworpen voor het bestuderen van de elektronische textuur en het gedrag van composietmaterialen. Met XAS, onderzoekers kunnen de lokale elektronische structuur rond specifieke elementen in hun monster bepalen - zelfs door zeer kleine veranderingen te detecteren - vanwege de afstembare aard van de röntgenstralen.

"We hebben XAS-metingen uitgevoerd met een zeer kleine röntgenstraal (ongeveer 100 micron) om te richten op het actieve deel van de geconstrueerde structuur. We hebben een duidelijke verschuiving in het Pd-spectrum waargenomen bij het veranderen van de op het monster toegepaste spanning, wat een teken was van de transformatie van Pd naar PdH, " zei Claudio Mazzoli, lead beamline scientist bij de CSX beamline. "Deze metingen leverden direct bewijs dat het microscopische mechanisme diep in het monster plaatsvindt. we weten nu dat het inbrengen van waterstof in het apparaat de verklaring is voor de veranderingen in de magnetische eigenschappen van het monster zoals gedetecteerd door laboratoriummetingen."

"Dit is een zeer nieuwe en unieke methode, en het opent een geheel nieuwe manier om magnetische velden te moduleren in solid-state apparaten, mogelijk van invloed zijn op spintronische toepassingen, " zei Hu.