Onderzoekers hebben met succes een methode gedemonstreerd om een ​​nieuw materiaal met zeer hoge snelheden en met grote nauwkeurigheid tussen twee verschillende niet-vluchtige toestanden te schakelen. De fysieke componenten van het apparaat in kwestie zijn aanzienlijk robuust tegen externe invloeden zoals magnetische velden. Deze bevindingen kunnen leiden tot een geheugenapparaat met hoge snelheid en hoge capaciteit met een hoge energie-efficiëntie.

1929, theoretisch fysicus Hermann Weyl onderzocht de nieuw afgeleide Dirac-vergelijking, die veel dingen in de deeltjesfysica beschrijft en leidde tot de ontdekking van antimaterie. Hij merkte op dat de vergelijking het bestaan ​​van een massaloos deeltje impliceerde, die bekend werd als het Weyl-fermion. Dit werd ooit beschouwd als het elementaire deeltje het neutrino. Bijna een eeuw later, in 2015, het Weyl-fermion werd eindelijk in werkelijkheid ontdekt, en in de jaren daarna, natuurkundigen beginnen niet alleen te begrijpen, het maar om mogelijke toepassingen ervoor te vinden. Een team met onderzoekers van het laboratorium onder leiding van professor Satoru Nakatsuji van het Institute for Solid State Physics en Department of Physics aan de Universiteit van Tokyo vond een manier om Weyl-fermionen te gebruiken om geavanceerde geheugenapparaten te maken.

"Spintronica is een woord dat mensen die geïnteresseerd zijn in de toekomst van technologie waarschijnlijk zal opwinden. het is iets dat veel elektronische functies in hedendaagse apparaten zou kunnen vervangen en vervangen, ", legt onderzoeksmedewerker Tomoya Higo uit. "Sinds een tijdje, ferromagnetische materialen, magneten die zich op een vertrouwde manier gedragen, zijn gebruikt om spintronische verschijnselen te onderzoeken. Maar er is een betere klasse magnetische materialen voor dit doel, antiferromagnetische materialen genaamd, die moeilijker lijken om mee te werken, maar veel voordelen hebben."

Antiferromagneten zijn interessante materialen omdat ze onderzoekers veel nuttige eigenschappen bieden die ferromagnetische materialen bieden, maar ze zijn minder onderhevig aan externe magnetische velden vanwege een unieke rangschikking van hun samenstellende delen. Dit is een voordeel bij het werken naar geheugenapparaten, aangezien nauwkeurigheid en robuustheid belangrijk zijn, maar deze speciale opstelling maakt het ook moeilijker om het materiaal naar behoefte te manipuleren.

"Het was helemaal niet duidelijk of je een antiferromagnetische toestand kunt beheersen met een eenvoudige elektrische puls zoals je een ferromagnetische kunt doen, ' zei Nakatsuji.

Hier komen de Weyl-fermionen om de hoek kijken. "In ons monster (antiferromagnetische mangaan-tinlegering Mn ₃ sn), Weyl-fermionen bestaan ​​op Weyl-punten in de impulsruimte (geen fysieke ruimte, maar een wiskundige manier om de impulsen van deeltjes in een systeem weer te geven). Deze Weyl-punten hebben twee mogelijke toestanden die binaire cijfers kunnen vertegenwoordigen, "Verklaarde postdoctoraal onderzoeker Hanshen Tsai. "Onze baanbrekende bevinding is dat we een Weyl-punt tussen deze toestanden kunnen schakelen met een externe elektrische stroom die wordt toegepast op aangrenzende dunne lagen Mn3Sn en platina of wolfraam. Deze methode wordt spin-orbit-koppelomschakeling genoemd."

"Onze ontdekking geeft aan dat het massaloze Weyl-fermion dat door natuurkundigen wordt nagestreefd, in onze magneet is gevonden, en bovendien elektrisch kan worden gemanipuleerd, ", voegde Nakatsuji eraan toe.

Dankzij een zeer groot signaal van Weyl-fermionen in Mn ₃ Sn, de detectie van draai-orbit koppelschakeling is mogelijk. De schakelsnelheid die overeenkomt met hoe snel geheugen op basis van dergelijke technologie kan worden geschreven of gelezen, ligt in de buurt van biljoenen keren per seconde, of terahertz. Het huidige high-end computergeheugen schakelt een paar miljard keer per seconde, of gigahertz. Dus, wanneer gerealiseerd, het kan leiden tot een behoorlijke prestatiesprong, maar er is nog een weg te gaan.

"Er waren twee grote uitdagingen in onze studie. Een daarvan was het optimaliseren van de synthese van Mn ₃ Sn dunne films. De andere was het uitvogelen van het schakelmechanisme, " zei Higo. "We zijn niet alleen opgewonden omdat we een aantal interessante fenomenen hebben gevonden, maar omdat we kunnen verwachten dat onze bevindingen in de toekomst belangrijke toepassingen kunnen hebben. Door nieuwe materialen te creëren, we ontdekken nieuwe fenomenen die kunnen leiden tot nieuwe apparaten. Ons onderzoek zit vol dromen."

De studie is gepubliceerd in Natuur .