Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Beijing Normal University hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de parameter die bekend staat als spin-geheugenverlies (SML) voor een verscheidenheid aan verschillende interfaces, met een combinatie van theoretische en computationele methoden. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , biedt waardevolle nieuwe inzichten die kunnen helpen bij het ontwerpen van efficiëntere interfaces.

"De heilige graal in ons vakgebied is een nieuw concept in magnetische geheugenopslag dat 100% elektronisch zou zijn, d.w.z. mogelijk sneller, dichter en betrouwbaarder dan de huidige harde schijven (HDD) die de ruggengraat van het internet vormen (bijv. datafarms) en die zijn gebaseerd op een mechanisch draaiende magnetische schijf waar gegevens worden benaderd door een lees-/schrijfkop die slechts nanometers boven de snel draaiende harde schijf zweeft, "Paul Kelly, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Het nieuwe concept is gebaseerd op iets dat het spin Hall-effect (SHE) wordt genoemd, die 50 jaar geleden theoretisch werd voorspeld, maar voor het eerst waargenomen in halfgeleiders in 2004 en twee jaar later in metalen."

Naast het hebben van een lading, elektronen hebben een spin, wat betekent dat ze kunnen fungeren als 'spinning tollen'. Aan deze spin is een magnetisch moment verbonden. De SHE is een direct gevolg van het relativistische effect dat spin-orbitkoppeling (SOC) wordt genoemd, die 'koppelt' hoe elektronen draaien (met de klok mee of tegen de klok in) met hoe ze rond atomen bewegen.

Als gevolg van dit effect, wanneer een ladingsstroom door een plaat van een zwaar metaal zoals platina gaat, het wekt een spinstroom op die loodrecht op de laadstroom staat. Als het platina in contact komt met een magnetisch materiaal zoals ijzer, nikkel of permalloy, een FeNi-legering, de 'spinstroom' wordt in dit naburige magnetische materiaal gedreven.

"Onder de juiste omstandigheden deze spinstroom kan de richting waarin het magnetische moment wijst heroriënteren:omhoog is '1', omlaag is '0'; en we hebben de basis van een nieuw type magnetisch geheugen, " legde Kelly uit. "Hier komen we binnen."

Zoals Kelly verder uitlegt, de spinstroom wordt typisch verslechterd wanneer deze van de Pt-draad in het magnetische materiaal gaat, wat vaak gebeurt op grensvlakken tussen twee verschillende materialen. Deze degradatie in stroom, bekend als 'spin-geheugenverlies' (SML), is de focus geweest van vele studies, inclusief die uitgevoerd door Kelly's team, en toch is er momenteel heel weinig over bekend.

"Wat tot nu toe bekend is over SML is verkregen uit experimenten bij lage temperaturen, overwegende dat 99% van de belangstelling gaat naar wat er gebeurt bij kamertemperatuur, de temperatuur van belang voor tal van toepassingen, " zei Kelly. "Ons onderzoek is erop gericht om eigenschappen zoals deze te kunnen bestuderen."

Het belangrijkste doel van de studie van Kelly en zijn collega's was om SML en het gedrag ervan op verschillende grensvlakken en bij eindige temperaturen te bestuderen (waarbij temperatuurgeïnduceerde atomaire trillingen en fluctuaties in magnetische momenten onvermijdelijk zijn). De onderzoekers concentreerden zich op vier combinaties van materialen die doorgaans worden gebruikt bij het ontwikkelen van een magnetische geheugenopslag die volledig elektronisch is.

In de afgelopen 20 jaar, Kelly en zijn collega's hebben computercodes ontwikkeld die kunnen worden gebruikt om het transport van elektronen en spins (d.w.z. spintransport) in complexe materialen. Deze codes zijn gebaseerd op het oplossen van de 'Schrödingervergelijking' van de kwantummechanica in een vorm die 'verstrooiingstheorie' wordt genoemd, wat betekent dat het gedrag van de elektronen in termen van materiegolven is.

"Twee belangrijke stappen in de ontwikkeling van deze codes waren het opnemen van relativistische effecten, namelijk SOC en temperatuur in de vorm van temperatuurgeïnduceerde rooster- en spinstoornis, Kelly zei. "Als de temperatuur van een materiaal wordt verhoogd, de atomen waaruit het materiaal is samengesteld trillen steeds meer; dit wordt roosterstoornis genoemd. Als het materiaal ferromagnetisch is, dan draaien de magnetische momenten op de atomen weg van hun origineel, uniforme oriëntatie."

Als laatste stap in de ontwikkeling van code voor het bestuderen van spintransport via interfaces, Kelly en zijn collega's gebruikten de resultaten van hun kwantummechanische 'verstrooiings'-berekeningen om de door experimentatoren waargenomen ladings- en spinstromen te berekenen. Dit proces stelde hen uiteindelijk in staat om de SHE te bestuderen op interfaces, evenals de degradatie van spinstromen als ze van het ene materiaal naar het andere gaan (d.w.z. SML).

"Het belangrijkste verschil tussen ons onderzoek en dat van andere onderzoeksteams is dat we lang geleden interfaces als een belangrijk doelwit hebben geïdentificeerd en onze code-ontwikkeling hebben gericht op het kunnen bestuderen van interfaces tussen materialen met zeer verschillende afmetingen (d.w.z. roosterconstanten)." Kelly zei. "Hierbij werd uitgebreid gebruik gemaakt van 'dunne matrixmethoden' om de enorme numerieke arrays die het resultaat zijn van het realistisch beschrijven van interfaces te kunnen verwerken."

Kelly en zijn collega's waren de eersten die spintransport als functie van temperatuur bestudeerden via realistische interfaces. Naast het introduceren van numerieke waarden voor parameters die dit transport beschrijven, ze verzamelden waardevol inzicht in hoe deze parameters variëren tussen verschillende interfaces, evenals hun afhankelijkheid van het soort stoornis waardoor ze worden getroffen.

Vooral, de onderzoekers merkten op dat niet-magnetische interfaces een minimale temperatuurafhankelijkheid hebben, terwijl interfaces die ferromagneten bevatten sterk afhankelijk zijn van de temperatuur. Ze ontdekten ook dat de SML groter was voor bepaalde interfaces, vooral wanneer de doorgang tussen de verschillende materialen abrupter is (bijv. Co/Pt-interfaces).

Eindelijk, Kelly en zijn collega's ontdekten dat SML aanzienlijk kan worden verbeterd door roostermismatch en interface-legeringen. In de toekomst, de observaties en inzichten die ze hebben verzameld, zullen richting geven aan het ontwerp van effectievere interfaces met verschillende mogelijke toepassingen.

"Als volgende stap we willen direct het proces bestuderen waarbij een spinstroom die door de SHE in een zwaar metaal wordt opgewekt, in verschillende andere materialen wordt geïnjecteerd, zowel niet-magnetisch als magnetisch, om nauwer contact te maken met magnetisch geheugen en verwante nanodevices, Kelly zei. "We zullen ook de eigenschappen van de nieuwe tweedimensionale van der Waals ferromagnetische materialen bestuderen, die verschillende ladings- en spintransporteigenschappen kunnen hebben en waarvan de 'interfaces' een sleutelrol zouden spelen bij het bepalen van hun magnetische eigenschappen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk