Cornell-onderzoekers hebben een nieuwe draai gegeven aan het meten en regelen van spins in nikkeloxide, met het oog op het verbeteren van de snelheid en geheugencapaciteit van elektronische apparaten.

hun papier, "Spin Seebeck Imaging of Spin-Torque Switching in Antiferromagnetische Pt/NiO Heterostructures" werd op 22 oktober gepubliceerd in Fysieke beoordeling X .

Een van de specialiteiten van senior auteur Greg Fuchs, universitair hoofddocent toegepaste en technische fysica, is spintronica - de studie van de spin (een soort impulsmoment dat informatie kan vastleggen) die verantwoordelijk is voor de magnetische eigenschappen van elektronen. Fuchs en zijn groep proberen te begrijpen hoe dit magnetisme te meten en te manipuleren.

In plaats van magnetisme te meten met traditionele vormen van magnetische microscopie, waarbij materialen worden gebombardeerd met licht, elektronen of röntgenstralen - Fuchs is een pionier in een techniek die magneto-thermische microscopie wordt genoemd. Bij deze methode, warmte wordt toegepast op het materiaal in een klein gebied, en magnetisme in dat gebied wordt gemeten door de elektrische spanning die wordt gegenereerd. Hierdoor kan het team van Fuchs zien wat er gebeurt als ze de spins van een magnetisch materiaal manipuleren.

De Fuchs Group onderzoekt antiferromagnetische materialen, die uniek zijn omdat hun individuele magnetische elementen - de kleine stukjes materiaal die stukjes informatie onthouden op basis van hun oriëntatie - geen magnetisch veld produceren. Daarom, ze kunnen dicht bij elkaar worden verpakt zonder elkaar te storen, mogelijk opslag met een hoge dichtheid mogelijk maken. Antiferromagneten zijn nog snellere broers en zussen van ferromagneten - meer conventionele magnetische materialen die een magnetisch moment produceren. Antiferromagneten hebben het potentieel om duizend keer sneller te werken, volgens Fuchs.

Maar het gedrag van antiferromagnetische materialen begrijpen is niet eenvoudig.

"Antiferromagnetisch materiaal is moeilijk te bestuderen omdat elke andere spin in de tegenovergestelde richting wijst, dus er is geen netto magnetisatie, "zegt Fuchs. "Het creëert geen magnetisch veld. Het is niet echt ontvankelijk voor conventionele benaderingen van magnetische metingen. Er zijn gespecialiseerde röntgenfaciliteiten die dit kunnen, maar er zijn er niet veel, en dat beperkt de metingen die je kunt doen. Je hebt dus weinig opties."

Fuchs en zijn team bedachten een slimme oplossing voor het probleem door precies het juiste soort antiferromagnetisch materiaal te kiezen - nikkeloxide - dat meerdere spinvlakken bevat, waarbij de spins in elk ander vlak in een tegenovergestelde richting wijzen. In een sandwich van platina en nikkeloxide, de spins aan de grens zijn allemaal evenwijdig aan elkaar uitgelijnd, waardoor onderzoekers de warmtestroom kunnen gebruiken om de oriëntatie van de spins te meten zonder dat het signaal wordt opgeheven.

Dit effect, het "interface-spin Seebeck-effect" genoemd, was eerder aangetoond in ferromagnetische metalen en isolatoren, maar werd alleen getheoretiseerd voor antiferromagneten. Niemand had het eerder gedemonstreerd, laat staan ​​dat het werd gebruikt om antiferromagnetische monsters af te beelden met standaard laboratoriumapparatuur op tafel.

"Door antiferromagneten in beeld te brengen, kunnen we microscopisch zien hoe ze reageren op externe stimuli, zoals elektrische stroom. Deze details zijn van cruciaal belang bij het maken van antiferromagnetische geheugenapparaten, " zegt hoofdauteur Isaiah Gray, een doctoraat student toegepaste natuurkunde.

"Normaal gesproken denk je aan antiferromagneten als een behoorlijk harde noot. Het is voor mij verrassend dat zo'n relatief eenvoudige aanpak werkt, "Zei Fuchs. "Dit ontsluit een heel nieuw rijk in termen van wat je kunt doen in antiferromagnetische apparaten. Nu kan ik de texturen in deze materialen controleren, en kijk dan hoe de spins georiënteerd zijn."