Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuw fysiek effect beschreven dat kan worden gebruikt om efficiëntere magnetische chips voor informatieverwerking te ontwikkelen. Het kwantummechanische effect maakt het gemakkelijker om spin-gepolariseerde stromen te produceren die nodig zijn voor het schakelen van magnetisch opgeslagen informatie. De onderzoeksresultaten zijn op 28 juli online gepubliceerd in het high-impact tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Random-access memory is het kortetermijngeheugen in computers. Het buffert de programma's en bestanden die momenteel in gebruik zijn in elektronische vorm, in talloze kleine condensatoren. Omdat condensatoren na verloop van tijd ontladen, ze moeten regelmatig worden opgeladen om ervoor te zorgen dat er geen gegevens verloren gaan. Dit kost tijd en energie, en een ongeplande stroomstoring kan ertoe leiden dat gegevens voorgoed verloren gaan.

Magnetische Random Access Memories (MRAM's), anderzijds, informatie opslaan in kleine magnetische gebieden. Dit is een snel proces dat functioneert zonder een continue stroomvoorziening. Ondanks dit, MRAM's moeten nog op grote schaal worden geïmplementeerd, omdat hun integratiedichtheid nog steeds te laag is, en ze verbruiken te veel energie, zijn moeilijk te produceren, en kost te veel.

Een reden hiervoor is dat spin-gepolariseerde stromen, of kortweg spinstromen, zijn nodig om de magnetische gebieden van de MRAM's te schakelen. Spin is het intrinsieke impulsmoment van elektronen dat materialen hun magnetische eigenschappen geeft, en het kan in twee richtingen wijzen. Spinstromen zijn elektrische stromen die slechts één van deze twee spintypes bezitten. Net als de manier waarop het magnetisch veld van de aarde de naald van een kompas beïnvloedt, een stroom van een van de spintypes beïnvloedt een magnetische laag en kan deze doen omslaan.

Om tot nu toe spinstromen te produceren, het gewenste spintype werd gefilterd uit normale elektrische stroom. Dit vereiste speciale filterstructuren en hoge stroomdichtheden. Dankzij het nieuwe effect geïdentificeerd door onderzoekers uit Jülich, Barcelona, Grenoble, en Zürich, magnetische informatie kan nu gemakkelijker worden geschakeld.

"We hebben geen spinfilters meer nodig. In plaats daarvan we produceren de spinstroom direct waar het zal worden gebruikt. Het enige dat nodig is, is een lagenstapel gemaakt van kobalt en platina, " zegt Dr. Frank Freimuth van het Peter Grünberg Institute en het Institute for Advanced Simulation bij Forschungszentrum Jülich. Dit vermindert de benodigde hoeveelheid ruimte, maakt het systeem robuuster, en kan de productie van magnetische chips vereenvoudigen.

Een elektrische stroom, uitgevoerd door de stapel op de interface, scheidt de spins in de platinalaag en transporteert slechts één spintype in de magnetische kobaltlaag. Dit creëert een koppel in deze laag die de magnetisatie kan omkeren. "In het verleden waren spinkoppels al waargenomen in dubbellaagse systemen, " zegt de fysicus, die deel uitmaakt van de Young Investigators Group on Topical Nanoelectronics onder leiding van prof. Yuriy Mokrousov. "Het feit dat we voor het eerst afdoende hebben uitgelegd hoe ze zijn gemaakt, is een wetenschappelijke doorbraak, omdat we ze dan selectief kunnen produceren en nader kunnen onderzoeken."

De onderzoekers identificeerden twee mechanismen die samen het nieuwe effect produceren, die ze 'spin-orbit torque' hebben genoemd:spin-orbit koppeling en de uitwisselingsinteractie. Spin-baankoppeling is een bekend relativistisch kwantumfenomeen en de reden waarom alle elektronenspins van één type zich van de platina- naar de kobaltlaag verplaatsen. Binnen de kobaltlaag, de magnetische oriëntatie van de laag interageert vervolgens met de spins via de uitwisselingsinteractie.

De onderzoekers testten hun theorie met succes in experimenten. Hun volgende stap is om het effect te berekenen in andere materialen met een sterkere spin-torque koppeling om uit te zoeken of het effect nog duidelijker is in andere materiaalcombinaties.