Het veelbelovende veld van spintronica probeert elektronenspin te manipuleren om een ​​nieuw soort kleine en energiezuinige elektronische apparaten te maken. Een recente studie gebruikte Argonne's Advanced Photon Source om het wijdverbreide gebruik van spintronica dichter bij de realiteit te brengen.

Naarmate computers en elektronische apparaten kleiner en kleiner worden, ingenieurs ontwikkelen nieuwe technologieën om apparaten nog verder te laten krimpen en tegelijkertijd de prestaties te verbeteren. Een veelbelovende nieuwe technologie is spintronica, die het potentieel heeft om kleinere en snellere apparaten te maken die hun informatie behouden wanneer de stroom is uitgeschakeld. Deze opkomende technologie kan een revolutie teweegbrengen in het ontwerp van elektronische apparaten, maar er is nog een lange weg te gaan voordat de technologie mainstream wordt.

Om gelijke tred te houden met de toenemende gegevensgeneratie, gegevensopslagcapaciteit is toegenomen, terwijl elektronische apparaten steeds kleiner en krachtiger worden. Echter, deze toename van het genereren en opslaan van gegevens heeft geleid tot een bijbehorende toename van het energieverbruik. Datacenters gebruiken een aanzienlijke hoeveelheid elektriciteit voor hun servers en koelsystemen, en die centra alleen zijn goed voor meer dan 1% van het wereldwijde energieverbruik. Spintronics heeft het potentieel om dit energieverbruik te verminderen, terwijl ingenieurs kleinere en snellere computers en andere elektronische apparaten kunnen blijven ontwerpen.

In plaats van elektronenlading te gebruiken om informatie op te slaan als enen en nullen, spintronics gebruikt elektronenspin om gegevens te coderen. Spin is een eigenschap van elektronen, net als lading. Elektronen kunnen een spintoestand hebben die omhoog of omlaag is, en in sommige speciale materialen kan deze spintoestand over het materiaal bewegen wanneer het wordt blootgesteld aan elektriciteit. Door de mogelijkheid om de spin-toestand te transporteren, kan spin worden gebruikt voor gegevensopslag. Deze methode van spinmanipulatie voor gegevensopslag verbruikt veel minder energie omdat een spinstroom minder weerstand ondervindt die tot oververhitting kan leiden, en de informatie verdwijnt niet bij stroomuitval.

Onderzoekers die de Advanced Photon Source (APS) gebruiken, een US Department of Energy Office of Science User Facility bij DOE's Argonne National Laboratory, hebben manieren bestudeerd om elektronenspins te manipuleren en nieuwe materialen voor spintronica te ontwikkelen. Onlangs, een onderzoeksteam onder leiding van Chang-Beom Eom, een professor in materiaalkunde en techniek aan de Universiteit van Wisconsin-Madison, publiceerde een studie in het tijdschrift Natuurcommunicatie over een nieuw materiaal dat drie keer de opslagdichtheid heeft en veel minder stroom verbruikt dan andere spintronica-apparaten.

Er zijn niet veel van dit soort materialen, vooral degenen die werken bij kamertemperatuur zoals deze. Als Eom's materiaal kan worden geperfectioneerd, het zou kunnen helpen bij het creëren van efficiëntere elektronische apparaten met minder neiging tot oververhitting. Dit is met name belangrijk voor het bevorderen van de ontwikkeling van energiezuinige computers en snel magnetisch geheugen.

De nieuwe structuur die Eom ontwierp, is gebaseerd op een ongebruikelijke klasse van materialen, antiperovskieten genaamd, die hij gebruikt om de stroom van spin-informatie te manipuleren zonder de ladingen van de elektronen door het materiaal te verplaatsen. Om erachter te komen of het werkte, en om de structuur van het materiaal beter te begrijpen, Eom's team gebruikte röntgendiffractie bij de APS om te zien op welk punt de structuur van het materiaal veranderde, wat wijst op de opkomst van de noodzakelijke opstelling van elektronische spins.

Eom kwam naar het APS vanwege de kracht van de 6-ID-B-bundellijn en vanwege de expertise van de wetenschappers die daar werken.

"In een week tijd bij het APS kunnen we een maand werk verzetten, " hij zei.

De beamline-wetenschappers van het APS geven deskundig advies aan onderzoekers die de middelen van de faciliteit willen gebruiken. Voorafgaand aan de studie, APS-bundellijnwetenschappers Phil Ryan en Jong-Woo Kim brachten tijd door met Eom, hem helpen bepalen wanneer hij de juiste structuur had terwijl hij deze nieuwe materialen in zijn laboratorium kweekte.

"Als ze een wetenschappelijke vraag hebben, we bespreken het en ontwerpen samen een experiment bij APS om de vraag te beantwoorden, " zei Kim, een natuurkundige bij APS die samenwerkt met het onderzoeksteam van Eom. "We begrijpen onze technieken en mogelijkheden heel goed, zodat we kunnen bijdragen aan het ontwerp van het experiment, of zelfs het gesprek vormgeven."

Voor deze studie is Eom gebruikte de APS om naar de roosterstructuur van het materiaal op atomair niveau te kijken terwijl het afkoelde naar kamertemperatuur. Met behulp van röntgendiffractie, ze maten de roosterparameter - in feite de afstand tussen atomen - en extraheerden de scheiding van de atomen toen de temperatuur van het materiaal veranderde.

"Dit materiaal ontwikkelt een magnetische orde iets boven kamertemperatuur, " zei Rayan, een andere natuurkundige bij APS die in de loop der jaren met Eom aan dit project heeft gewerkt, evenals met vele anderen. "Zodra de elektronspins zichzelf ordenen, de atomen worden iets van elkaar af geduwd. Dus ook al konden we de structuur niet direct detecteren met röntgenstralen, we hebben deze structurele verandering met temperatuur bij de APS gevolgd en gemeten om de opkomst van deze magnetische orde te bevestigen."

Dit was een van de drie technieken die in het onderzoek werden gebruikt om de rangschikking van elektronische spins te meten, en deze gegevens, in combinatie met andere metingen, hielp de validiteit van de bevindingen te verstevigen en te verstevigen.

"Het vermogen om de rangschikking van elektronische spins te manipuleren, evenals hun beweging door materiaal, heeft enorme mogelijkheden voor energiezuinigere apparaten, "Zei Eom. "Dit is de eerste stap om te laten zien hoe het moet."