Door het juiste materiaal in de juiste hoek te houden, hebben Cornell-onderzoekers een strategie ontdekt om de magnetisatie in dunne lagen van een ferromagneet te veranderen - een techniek die uiteindelijk zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van meer energie-efficiënte magnetische geheugenapparaten.

De paper van het team, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide", gepubliceerd op 5 mei in Nature Electronics . De co-hoofdauteurs van het artikel zijn postdoctoraal onderzoeker Arnab Bose en promovendi Nathaniel Schreiber en Rakshit Jain.

Decennia lang hebben natuurkundigen geprobeerd de oriëntatie van elektronenspins in magnetische materialen te veranderen door ze te manipuleren met magnetische velden. Maar onderzoekers, waaronder Dan Ralph, de F.R. Newman Professor of Physics in the College of Arts and Sciences en de senior auteur van het artikel, hebben in plaats daarvan gekeken naar het gebruik van spinstromen die worden gedragen door elektronen, die bestaan ​​​​wanneer elektronen spins hebben die over het algemeen in één richting zijn georiënteerd.

Wanneer deze spinstromen interageren met een dunne magnetische laag, dragen ze hun impulsmoment over en genereren ze voldoende koppel om de magnetisatie 180 graden om te schakelen. (Het proces van het omschakelen van deze magnetische oriëntatie is hoe men informatie in magnetische geheugenapparaten schrijft.)

De groep van Ralph heeft zich gericht op het vinden van manieren om de richting van de spin in spinstromen te regelen door ze te genereren met antiferromagnetische materialen. In antiferromagneten wijst elke andere elektronspin in de tegenovergestelde richting, dus er is geen netto magnetisatie.

"In wezen kan de antiferromagnetische orde de symmetrieën van de monsters voldoende verlagen om onconventionele oriëntaties van spinstroom mogelijk te maken," zei Ralph. "Het mechanisme van antiferromagneten lijkt een manier te bieden om ook behoorlijk sterke spinstromen te krijgen."

Het team had geëxperimenteerd met de antiferromagneet rutheniumdioxide en meten de manieren waarop de spinstromen de magnetisatie kantelden in een dunne laag van een magnetische nikkel-ijzerlegering genaamd Permalloy, een zachte ferromagneet. Om de verschillende componenten van het koppel in kaart te brengen, hebben ze de effecten ervan gemeten onder verschillende magnetische veldhoeken.

"We wisten eerst niet wat we zagen. Het was totaal anders dan wat we eerder zagen, en het kostte ons veel tijd om erachter te komen wat het is," zei Jain. "Bovendien zijn deze materialen lastig te integreren in geheugenapparaten en we hopen andere materialen te vinden die vergelijkbaar gedrag vertonen en die gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd."

De onderzoekers identificeerden uiteindelijk een mechanisme dat "momentum-afhankelijke spinsplitsing" wordt genoemd en dat uniek is voor rutheniumoxide en andere antiferromagneten in dezelfde klasse.

"Lange tijd gingen mensen ervan uit dat in antiferromagneten spin-up en spin-down elektronen zich altijd hetzelfde gedragen. Deze klasse materialen is echt iets nieuws," zei Ralph. "De spin-up en spin-down elektronische toestanden hebben in wezen verschillende afhankelijkheden. Als je eenmaal elektrische velden begint toe te passen, krijg je meteen een manier om sterke spinstromen te maken omdat de spin-up en spin-down-elektronen anders reageren. Dus je kunt een van hen versnellen meer dan de andere en krijg op die manier een sterke spinstroom."

Dit mechanisme was verondersteld, maar nooit eerder gedocumenteerd. Wanneer de kristalstructuur in de antiferromagneet op de juiste manier in apparaten is georiënteerd, zorgt het mechanisme ervoor dat de spinstroom onder een hoek kan worden gekanteld die een efficiëntere magnetische omschakeling mogelijk maakt dan andere spin-baaninteracties.

Nu hoopt het team van Ralph manieren te vinden om antiferromagneten te maken waarin ze de domeinstructuur kunnen controleren - d.w.z. de regio's waar de magnetische momenten van de elektronen in dezelfde richting uitlijnen - en elk domein afzonderlijk te bestuderen, wat een uitdaging is omdat de domeinen normaal gemengd.

Uiteindelijk zou de benadering van de onderzoekers kunnen leiden tot vooruitgang in technologieën die magnetisch willekeurig toegankelijk geheugen bevatten.

"De hoop zou zijn om zeer efficiënte, zeer dichte en niet-vluchtige magnetische geheugenapparaten te maken die de bestaande siliciumgeheugenapparaten zouden verbeteren," zei Ralph. "Dat zou een echte verandering mogelijk maken in de manier waarop geheugen in computers wordt gedaan, omdat je iets zou hebben met een in wezen oneindig uithoudingsvermogen, zeer compact, erg snel, en de informatie blijft behouden, zelfs als de stroom wordt uitgeschakeld. Er is geen geheugen dat dat doet dat tegenwoordig." + Verder verkennen

Zeer efficiënt middel om magnetisatie om te keren met spinstromen