In de afgelopen decennia is conventionele elektronica heeft snel zijn technische limieten bereikt op het gebied van computer- en informatietechnologie, pleiten voor innovatieve apparaten die verder gaan dan de loutere manipulatie van elektronenstroom. In dit verband, spintronica, de studie van apparaten die de "spin" van elektronen gebruiken om functies uit te voeren, is een van de heetste gebieden in de toegepaste natuurkunde. Maar, meten, veranderen, en, in het algemeen, werken met deze fundamentele kwantumeigenschap is geen sinecure.

Huidige spintronische apparaten, bijvoorbeeld magnetische tunnelknooppunten - lijden aan beperkingen zoals een hoog stroomverbruik, lage bedrijfstemperaturen, en ernstige beperkingen bij de materiaalkeuze. Hiertoe, een team van wetenschappers aan de Tokyo University of Science en het National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, heeft onlangs een studie gepubliceerd in ACS Nano , waarin ze een verrassend eenvoudige maar efficiënte strategie presenteren om de magnetisatiehoek in magnetiet te manipuleren (Fe ₃ O ₄ ), een typisch ferromagnetisch materiaal. Het team fabriceerde een volledig solide reductie-oxidatie ("redox") transistor met een dunne film van Fe ₃ O ₄ op magnesiumoxide en een lithiumsilicaatelektrolyt gedoteerd met zirkonium (Fig. 1). Het inbrengen van lithiumionen in de vaste elektrolyt maakte het mogelijk om rotatie van de magnetisatiehoek bij kamertemperatuur te bereiken en de elektronendragerdichtheid aanzienlijk te veranderen. Universitair hoofddocent Tohru Higuchi van de Tokyo University of Science, een van de auteurs van dit gepubliceerde artikel, zegt:"Door een spanning aan te leggen om lithiumionen in een vaste elektrolyt in een ferromagneet te brengen, we hebben een spintronisch apparaat ontwikkeld dat de magnetisatie kan roteren met een lager energieverbruik dan dat bij magnetisatierotatie door spinstroominjectie. Deze magnetisatierotatie wordt veroorzaakt door de verandering van spin-baankoppeling als gevolg van elektroneninjectie in een ferromagneet."

In tegenstelling tot eerdere pogingen die gebaseerd waren op het gebruik van sterke externe magnetische velden of het injecteren van op spin afgestemde stromen, de nieuwe aanpak maakt gebruik van een omkeerbare elektrochemische reactie. Na het aanleggen van een externe spanning, lithiumionen migreren van de bovenste lithiumkobaltoxide-elektrode en door de elektrolyt voordat ze het magnetische Fe . bereiken ₃ O ₄ laag. Deze ionen voegen zich vervolgens in de magnetietstructuur, Li . vormen _x Fe ₃ O ₄ en het veroorzaken van een meetbare rotatie in zijn magnetisatiehoek als gevolg van een wijziging in ladingsdragers.

Door dit effect konden de wetenschappers de magnetisatiehoek omkeerbaar veranderen met ongeveer 10 °. Hoewel een veel grotere rotatie van 56° werd bereikt door de externe spanning verder te verhogen, ze ontdekten dat de magnetisatiehoek niet volledig kon worden teruggeschakeld (figuur 2). "We hebben vastgesteld dat deze onomkeerbare rotatie van de magnetisatiehoek werd veroorzaakt door een verandering in de kristallijne structuur van magnetiet als gevolg van een overmaat aan lithiumionen, " legt Higuchi uit, "Als we zulke onomkeerbare structurele veranderingen zouden kunnen onderdrukken, we zouden een aanzienlijk grotere magnetisatierotatie kunnen bereiken."

Het nieuwe apparaat dat door de wetenschappers is ontwikkeld, vertegenwoordigt een grote stap in de controle van magnetisatie voor de ontwikkeling van spintronische apparaten. Bovendien, de structuur van het apparaat is relatief eenvoudig en gemakkelijk te fabriceren. Dr. Takashi Tsuchiya, Hoofdonderzoeker bij NIMS, de corresponderende auteur van de studie zegt:"Door de magnetisatierichting bij kamertemperatuur te regelen door het inbrengen van lithiumionen in Fe ₃ O ₄ , we hebben het mogelijk gemaakt om te werken met een veel lager energieverbruik dan de magnetisatierotatie door spinstroominjectie. Het ontwikkelde element werkt met een eenvoudige structuur."

Hoewel er nog meer werk moet worden verzet om volledig te profiteren van dit nieuwe apparaat, de op handen zijnde opkomst van spintronica zal zeker veel nieuwe en krachtige toepassingen ontsluiten. "In de toekomst, we zullen proberen een rotatie van 180° in de magnetisatiehoek te bereiken, " zegt Dr. Kazuya Terabe, Hoofdonderzoeker bij het International Centre for Materials Nanoarchitectonics bij NIMS en co-auteur van de studie, "Hierdoor zouden we spintronische geheugenapparaten met hoge dichtheid en een grote capaciteit kunnen maken en zelfs neuromorfe apparaten die biologische neurale systemen nabootsen." Enkele andere toepassingen van spintronica bevinden zich op het felbegeerde gebied van kwantumcomputers.

Alleen de tijd zal leren wat deze grenstechnologie voor ons in petto heeft!