In de afgelopen tien jaar of zo, natuurkundigen en ingenieurs hebben geprobeerd nieuwe materialen te identificeren die de ontwikkeling van elektronische apparaten mogelijk zouden kunnen maken die sneller, kleiner en robuuster. Dit wordt steeds belangrijker, omdat bestaande technologieën zijn gemaakt van materialen die geleidelijk hun fysieke grenzen naderen.

Antiferromagnetische (AFM) spintronica zijn apparaten of componenten voor elektronica die een stromende lading koppelen aan de geordende spin-'textuur' van specifieke materialen. in de natuurkunde, de term spin verwijst naar het intrinsieke impulsmoment dat wordt waargenomen in elektronen en andere deeltjes.

De succesvolle ontwikkeling van AFM-spintronica kan zeer belangrijke implicaties hebben, omdat het zou kunnen leiden tot het creëren van apparaten of componenten die de wet van Moore overtreffen, een principe geïntroduceerd door microchipfabrikant Gordon Earle Moore. De wet van Moore stelt in wezen dat het geheugen, snelheid en prestaties van computers zullen naar verwachting elke twee jaar verdubbelen als gevolg van de toename van het aantal transistors dat een microchip kan bevatten.

Terwijl de huidige technologieën hun fysieke grenzen bereiken, AFM-spintronica zou qua snelheid en prestatie aanzienlijk beter kunnen presteren dan bestaande apparaten, die veel verder gaan dan de wet van Moore. Ondanks hun voordelige eigenschappen, het vinden van materialen met de exacte eigenschappen die nodig zijn om AFM-spintronica te fabriceren, is tot nu toe een grote uitdaging gebleken.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory, UC Berkeley en het National High Magnetic Field Laboratory in Tallahassee hebben onlangs een nieuw kwantummateriaal (Fe _{1/3 +} NbS ₂ ) die kunnen worden gebruikt om AFM spintronic-apparaten te fabriceren. In hun meest recente artikelen, gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang en Natuurfysica , ze toonden de haalbaarheid aan van het gebruik van dit materiaal voor twee AFM-spintronica-toepassingen.

"Het werk gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang werd gemotiveerd door onze vorige publicatie, die voor het eerst antiferromagnetische omschakeling in de geïntercaleerde op overgangsmetaal dichalcogenide (TMD) gebaseerde verbindingen aantoonde, "James G. Analytis, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "In onze andere recente studie, te zien in Natuurfysica , we hebben aangetoond dat dezelfde materialen een enorme 'uitwisselingsbias' hebben - een eigenschap die kan worden gebruikt voor spinkleppen om ervoor te zorgen dat het transport van spin in spintronische apparaten in de ene richting maar niet in de andere richting gaat."

Analytis en zijn collega's ontdekten dat ultralage stroomdichtheden een zeer stabiele elektrische schakeling in TMD's mogelijk maakten, die veelbelovend zijn gebleken voor de ontwikkeling van nieuwe technologieën. In vergelijking met andere bekende schakelbare antiferromagnetische systemen, in feite, deze materialen vertoonden extra eigenschappen zoals een verzadiging met één puls en een significant lagere activeringsenergie (twee ordes van grootte lager).

De onderzoekers wisten niet waarom deze materialen deze buitengewone schakeleigenschappen vertoonden. Een observatie waarvan ze dachten dat ze hen konden helpen dit raadsel op te lossen, was dat de materialen een extra ongeordende magnetische fase vertoonden, bekend als spinglas, die naast de antiferromagnetische fase bestond.

"Ons lopende onderzoek toont aan dat deze fase-coëxistentie sterk wordt beïnvloed door de intercalatiewaarde van ijzer, en bijgevolg, het bepaalt hoe dit systeem zal reageren op de injectie van elektrische gelijkstroompulsen, "Eran Maniv, de hoofdauteur van het project, vertelde Phys.org. "Onze nieuwe gegevens toonden aan dat de omschakeling alleen wordt uitgesproken wanneer de twee fasen naast elkaar bestaan ​​en aanzienlijk wordt onderdrukt wanneer de spinglasfase afwezig is."

Het belangrijkste doel van de recente studies van de onderzoekers was om te begrijpen hoe het naast elkaar bestaan ​​van het spinglas en de antiferromagnetische fasen in overgangsmetaaldichalcogeniden hun elektrische schakelmogelijkheden zou kunnen beïnvloeden. Specifieker, Analytis, Maniv en hun collega's hoopten de fysica achter het mechanisme te onthullen dat antiferromagnetische schakeling in deze materialen verbetert.

Een spinglas is een magnetisch systeem dat willekeurig verdeelde en tegenstrijdige magnetische interacties vertoont. Het kan ruwweg worden omschreven als een ongeordende magneet. Het spinglas staat, die de onderzoekers observeerden in overgangsmetaaldichalcogeniden, is niet aanwezig in bestaande schakelbare antiferromagnetische systemen.

"In tegenstelling tot een ferromagneet of een antiferromagneet waarbij de spins in specifieke richtingen wijzen, de spinpunten van een spinglas, gemiddeld, in elke richting, "Zei Analytis. "Echter, de spins van een spinglas zitten nog aan elkaar vastgelijmd, net als de spins van een ferromagneet of een AFM. Hierdoor bewegen ze samen zogenaamde collectieve dynamiek mogelijk maken. De oorsprong van het nieuwe en verbeterde schakelmechanisme dat we hebben waargenomen, ligt in de collectieve dynamiek van een spinglas."

Maniv, Analytis en hun collega's ontdekten dat wanneer een elektrische stroompuls in een spinglas wordt geïnjecteerd, zijn spins draaien gezamenlijk. Dit fenomeen treedt op vanwege de ongeordende aard van de glazige fase, waardoor de bevroren spins tegelijk kunnen draaien zonder extra energiekosten.

De onderzoekers merkten op dat de collectieve beweging van het spinglas spinkoppel kan geven aan de naast elkaar bestaande antiferromagnetische fase, die uiteindelijk de spins van een AFM roteert, zodat hun domeinen overwegend in één richting wijzen. De collectieve rotatie van de spins is het belangrijkste mechanisme achter de verbeterde schakeling die wordt vertoond door TMD's. interessant, de onderzoekers ontdekten dat de interactie tussen het spinglas en de AFM-fasen ook aanleiding geeft tot de gigantische uitwisselingsbias die wordt gerapporteerd in hun recente artikel gepubliceerd in Nature Physics.

"Deze antiferromagnetische omschakeling, het tonen van enkelvoudige puls geroteerde domeinen met een hoge efficiëntie, is nooit waargenomen, tot nu, " zei Maniv. "Het vermogen om de zeer wenselijke antiferromagnetische schakeling te controleren en aanzienlijk te verbeteren, is een doorbraak in spintronica-gerelateerde technologieën. Bovendien, het onthullen van dit effect in het rijke materiële speelveld van de TMD's zal toekomstige studies op kamertemperatuur en verbeterde eigenschappen mogelijk maken."

Opmerkelijk, het nieuwe magnetische en schakelbare systeem dat door Analytis en zijn collega's is geïdentificeerd, heeft een ultrasnelle dynamiek, is robuust tegen magnetische velden en wordt ook geactiveerd bij lagere stroomdichtheden dan enig ander bekend materiaal. De reactie van dit systeem op elektrische pulsen maakt zeer efficiënte activerings- en schakeltoestanden met één puls mogelijk die veel stabieler en krachtiger zijn dan die waargenomen in andere bekende antiferromagnetische materialen.

"Een van onze meest opvallende observaties was de mogelijke aanwezigheid van de theoretisch voorspelde 'Halperin-Saslow (HS) Modes' (d.w.z. spingolven in een spinglas), " zei Maniv. "Van deze spingolven wordt voorspeld dat ze zich vormen in bepaalde spinglasfasen en zijn direct gerelateerd aan de wereldwijde collectieve beweging die mogelijk wordt gemaakt door elektrische stroompulsen."

HS-modi zijn hydrodynamische modi waarvan de natuurkundigen Halperin en Saslow voorspelden dat ze zouden bestaan ​​in spinglazen. Hoewel Analytis en zijn collega's deze modi niet direct observeerden, ze vonden aanwijzingen die de weg konden banen naar hun experimentele realisatie. Dit is een bijzonder interessante bevinding, aangezien onderzoekers al tientallen jaren proberen deze modi rechtstreeks te observeren.

"We zijn nu van plan ons te concentreren op het onthullen van de spinglas-spingolfmodi (d.w.z. HS-modi), " zei Analytis. "Een van mijn co-auteurs van het werk, Shannon Haley, leidt nu nieuwe experimenten om niet-lokale schakeling in gefocusseerde ionenbundel gefabriceerde monsters te bestuderen. Aanvullend, we zijn van plan verschillende geïntercaleerde TMD's te bestuderen die vergelijkbare effecten kunnen vertonen, maar bij verschillende temperaturen, waardoor we toegang hebben tot dit nieuwe mechanisme bij kamertemperatuur."

© 2021 Science X Network