Een belangrijke prestatie op het gebied van spintronica, onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de Yale University hebben het vermogen aangetoond om de spindynamiek in magnetische materialen te beheersen door hun dikte te veranderen. De studie, vandaag gepubliceerd in Natuurmaterialen , kan leiden tot kleinere, energiezuinigere elektronische apparaten.

"In plaats van te zoeken naar verschillende materialen die de juiste frequenties delen, we kunnen nu de dikte van een enkel materiaal wijzigen:ijzer, in dit geval - om een ​​magnetisch medium te vinden dat de overdracht van informatie over een apparaat mogelijk maakt, " zei Brookhaven-natuurkundige en hoofdonderzoeker Valentina Bisogni.

Traditionele elektronica vertrouwt op een fundamentele eigenschap van elektronen - lading - om informatie te verzenden. Maar als elektrische stroom door een apparaat stroomt, het voert warmte af, beperken hoe kleine apparaten kunnen worden ontworpen zonder het risico van oververhitting en prestatieverlies. Om aan de vraag naar kleinere en meer geavanceerde elektronica te voldoen, onderzoekers onderzoeken een alternatieve benadering op basis van een andere fundamentele eigenschap van elektronen:spin. gelijk aan opladen, spin kan door een materiaal bewegen als een stroom. Het verschil is dat een laadstroom bestaat uit elektronen die fysiek bewegen, terwijl in een spin "stroom, " de elektronen bewegen niet; eerder, ze geven hun draairichting aan elkaar over als het doorgeven van een stokje in een estafetteloop - een met een lange ketting van "lopers" die nooit echt rennen.

"Er is altijd behoefte aan meer geheugen of opslagcapaciteit in elektronische apparaten, en warmteafvoer belemmert ons momenteel om apparaten op kleinere schaal te maken, "Bisogni zei. "Door te vertrouwen op spin in plaats van opladen, wordt oververhitting van apparaten aanzienlijk verminderd, dus het doel van spintronica is om dezelfde apparaatfunctionaliteiten te realiseren, of beter, die al bekend zijn in de traditionele elektronica - zonder de nadelen."

Daten, spindynamica is typisch gemeten met behulp van neutronenverstrooiingstechnieken; echter, deze methode vereist dat monsters in bulk worden bestudeerd (meerdere grammen monster tegelijk). In toepassingen in de echte wereld, het materiaal moet worden verkleind tot veel kleinere maten.

"Het is erg moeilijk om te voorspellen hoe bepaalde materialen zullen presteren op verschillende lengteschalen, " zei Bisogni. "Gezien het feit dat veel elektronische apparaten uit een zeer kleine hoeveelheid materiaal bestaan, het is belangrijk om te bestuderen hoe de eigenschappen in een dunne film zich verhouden tot de bulk."

Om deze wetenschappelijke vraag te beantwoorden, het onderzoeksteam gebruikte een techniek genaamd resonante inelastische röntgenverstrooiing (RIXS) om dunne films van ijzer zo dun als één nanometer te bestuderen. Hoewel RIXS goed ingeburgerd is op wetenschappelijk gebied, deze studie is slechts een van de weinige voorbeelden waarbij onderzoekers deze techniek hebben gebruikt om de spindynamiek in zo'n dun materiaal te bestuderen. De prestatie werd mogelijk gemaakt door de geavanceerde mogelijkheden van de Soft Inelastische X-ray Scattering (SIX) bundellijn bij de National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility in Brookhaven National Laboratory.

"We waren in staat om deze metingen uit te voeren door de ultraheldere röntgenbron bij NSLS-II te combineren met de ongeëvenaarde energieresolutie en spectrometer bij de SIX-bundellijn, " zei Jonathan Pelliciari, hoofdauteur van de studie en een wetenschapper bij SIX.

De SIX-bundellijn is uitgerust met een 50 voet lange spectrometerarm, gehuisvest in een eigen gebouw naast de experimentele verdieping van NSLS-II. Zo lang, beweegbare arm stelt SIX in staat om een ​​extreem hoge energieresolutie te verkrijgen en de collectieve beweging van elektronen en hun spin in een materiaal te onthullen.

Eerst ijzer in bulk bestuderen, het onderzoeksteam bevestigde de resultaten van eerdere neutronenverstrooiingstechnieken. Vervolgens, toen ze naar dunnere materialen gingen, ze observeerden niet alleen met succes spindynamiek op atomaire schaal, maar ook ontdekte dikte kan fungeren als een "knop" voor het verfijnen en regelen van de spindynamiek.

"Het was opwindend om te zien hoe ijzer zijn ferromagnetische eigenschappen behield, van de bulk tot slechts enkele monolagen, " zei Bisogni, hoofdbundellijnwetenschapper bij SIX. "Omdat ijzer zo'n elementair en eenvoudig materiaal is, we beschouwen dit als een benchmark voor het bestuderen van de evolutie van eigenschappen als een functie van dikte met behulp van RIXS."

Pelliciari heeft toegevoegd, "Dit werk is het resultaat van een sterke synergie tussen faciliteiten van wereldklasse. Naast het experiment op hoog niveau en de karakteriseringsstudie die is uitgevoerd bij NSLS-II, dit onderzoek zou niet mogelijk zijn geweest zonder de expertise en state-of-the-art synthesemogelijkheden van onze collega's aan de Yale University."

"Omdat Yale slechts twee uur verwijderd is van NSLS-II, Ik kon volledig deelnemen aan het experiment, " zei Sangjae Lee, een afgestudeerde student in het Charles Ahn-lab aan de Yale University. Lee en Ahn zijn co-auteurs van de studie. "Dit experiment was een inspirerende kans om hands-on synchrotronmetingen uit te voeren met wetenschappers van wereldklasse bij NSLS-II."

Onderzoekers van de afdeling gecondenseerde materie en materiaalkunde van Brookhaven boden ook theoretische ondersteuning voor de beste interpretatie van de experimentele gegevens.

Het onderzoeksteam van SIX zal RIXS blijven gebruiken om materiaaleigenschappen met betrekking tot spintronica te observeren. Hun uiteindelijke doel is om een ​​"aan- of uitschakelaar" te ontwikkelen voor het regelen van de spindynamiek in apparaten en het onderliggende microscopische mechanisme te begrijpen.