Elektronica is gebaseerd op elektrische ladingen die van de ene plaats naar de andere worden getransporteerd. Elektronen bewegen, stroom vloeit en signalen worden verzonden door het aanleggen van een elektrische spanning. Er is echter ook een andere manier om elektronische stromen en signalen te manipuleren:door gebruik te maken van de eigenschappen van de spin:het intrinsieke magnetische moment van het elektron. Dit wordt 'spintronica' genoemd en is een steeds belangrijker vakgebied geworden in het hedendaagse elektronische onderzoek.

Een internationaal onderzoeksteam van de TU Wien en de Tsjechische Academie van Wetenschappen heeft nu een belangrijke doorbraak bereikt. Ze zijn erin geslaagd om de spins in een antiferromagnetisch materiaal om te schakelen met behulp van oppervlaktespanning. Dit zou kunnen leiden tot een belangrijke nieuwe onderzoekslijn op het gebied van elektronische technologieën. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials .

"Er zijn verschillende soorten magnetisme", legt Sergii Khmelevskyi van het Vienna Scientific Cluster Research Center, TU Wien, uit. "Het bekendste is ferromagnetisme. Het treedt op wanneer de atomaire spins in een materiaal allemaal parallel zijn uitgelijnd. Maar er bestaat ook het tegenovergestelde, antiferromagnetisme. In een antiferromagnetisch materiaal hebben aangrenzende atomen altijd tegengestelde spins." Hun effecten heffen elkaar dus op en er kan geen magnetische kracht van buitenaf worden waargenomen.

"In 2010 kwamen wetenschappers van de TU Wien en de Tsjechische Academie van Wetenschappen echter met het idee dat dergelijke antiferromagnetische materialen veelbelovende eigenschappen hebben voor spintronische toepassingen", zegt Khmelevskyi. Dit was het begin van het nieuwe onderzoeksveld 'antiferromagnetische spintronica', dat zich sindsdien snel heeft ontwikkeld.

Er is onlangs intensief werk verricht door de TU Wien, het Instituut voor Natuurkunde van de Tsjechische Academie van Wetenschappen en de Ecole Polytechnique (Parijs). De grootste uitdaging was dat de spins in antiferromagnetische materialen moeilijk te manipuleren zijn, maar het vinden van een manier om ze op een betrouwbare en nauwkeurige manier te manipuleren is cruciaal. Alleen als magnetische toestanden doelgericht van de ene toestand naar de andere kunnen worden geschakeld, wordt het mogelijk computergeheugencellen (bijvoorbeeld MRAM) te produceren.

Magnetische frustratie:kleine effecten maken het verschil

Het manipuleren van ferromagneten is eenvoudig:het is voldoende om eenvoudigweg een extern magnetisch veld aan te leggen om de interne magnetische eigenschappen ervan te beïnvloeden. Dit is niet mogelijk met antiferromagneten, maar er is een uitweg:je kunt met oppervlaktespanning werken.

Hiervoor zijn echter zeer specifieke soorten kristallen nodig. Afhankelijk van de geometrie en de rangschikking van de atomen in het kristal kunnen verschillende antiferromagnetische spinopstellingen mogelijk zijn. Het kristal neemt de toestand met de laagste energie aan. Maar het kan een situatie zijn waarin verschillende spin-orders dezelfde energie hebben. Dit fenomeen wordt 'magnetische frustratie' genoemd. ‘In dat geval kunnen kleine interacties, die anders geen rol zouden spelen, beslissen welke magnetische toestand het kristal aanneemt’, zegt Khmelevskyi.

Experimenten met uraniumdioxide hebben aangetoond dat mechanische spanning kan worden gebruikt om het kristalrooster een klein beetje samen te drukken, en dit is voldoende om de magnetische volgorde van het materiaal te veranderen.

"We hebben nu aangetoond dat antiferromagneten feitelijk kunnen worden omgeschakeld door gebruik te maken van de eigenschappen van de magnetische frustratie die in veel bekende materialen voorkomt", zegt Khmelevskyi. "Dat opent de deur voor veel spannende verdere ontwikkelingen in de richting van functionele antiferromagnetische spintronica."

Meer informatie: Evgenia A. Tereshina-Chitrova et al., Spanningsgestuurd schakelen tussen antiferromagnetische toestanden in gefrustreerde antiferromagneet UO2 onderzocht door Exchange Bias Effect, Geavanceerde functionele materialen (2023). DOI:10.1002/adfm.202311895

Aangeboden door de Technische Universiteit van Wenen