Het elektron is een van de fundamentele deeltjes in de natuur waarover we op school lezen. Zijn gedrag bevat aanwijzingen voor nieuwe manieren om digitale gegevens op te slaan.

In een studie gepubliceerd in Nano-letters , natuurkundigen van de Michigan Technological University onderzoeken alternatieve materialen om de capaciteit te verbeteren en de omvang van digitale gegevensopslagtechnologieën te verkleinen. Ranjit Pati, hoogleraar natuurkunde aan Michigan Tech, leidde de studie en legt de fysica achter het nieuwe nanodraadontwerp van zijn team uit.

"Dankzij een eigenschap genaamd spin, elektronen gedragen zich als kleine magneten, "Zei Pati. "Vergelijkbaar met hoe de magnetisatie van een staafmagneet dipolair is, wijzend van zuid naar noord, de elektronen in een materiaal hebben magnetische dipoolmomentvectoren die de magnetisatie van het materiaal beschrijven."

Wanneer deze vectoren in willekeurige oriëntatie zijn, het materiaal is niet-magnetisch. Als ze evenwijdig aan elkaar zijn, het wordt ferromagnetisme genoemd en antiparallelle uitlijningen zijn antiferromagnetisme. De huidige technologie voor gegevensopslag is gebaseerd op ferromagnetische materialen, waar de gegevens worden opgeslagen in kleine ferromagnetische domeinen. Dit is de reden waarom een ​​sterk genoeg magneet een mobiele telefoon of andere elektronische opslag kan verknoeien.

Uitdagingen voor gegevensopslag

Afhankelijk van de richting van de magnetisatie (naar boven of naar beneden), gegevens worden geregistreerd als bits (een 1 of 0) in ferromagnetische domeinen. Echter, er zijn twee knelpunten, en beide hangen af ​​van nabijheid. Eerst, breng een externe magneet te dichtbij, en het magnetische veld ervan zou de richting van magnetische momenten in het domein kunnen veranderen en het opslagapparaat kunnen beschadigen. En, tweede, de domeinen hebben elk een eigen magnetisch veld, dus ze mogen ook niet te dicht bij elkaar staan. De uitdaging met kleinere, flexibeler, veelzijdiger elektronica is dat ze apparaten nodig hebben die het moeilijker maken om ferromagnetische domeinen veilig uit elkaar te houden.

"Ultrahigh-density datapacking zou een ontmoedigende taak zijn met ferromagnetische geheugendomeinen, ' zei Pati. 'Antiferromagnetische materialen, anderzijds, zijn vrij van deze problemen."

Op zichzelf zijn antiferromagnetische materialen niet geweldig voor elektronische apparaten, maar ze worden niet beïnvloed door magnetische velden van buitenaf. Dit vermogen om magnetische manipulatie te weerstaan, kreeg meer aandacht van de onderzoeksgemeenschap en Pati's team gebruikte een voorspellende kwantum veel-deeltjestheorie die rekening houdt met elektron-elektron-interacties. Het team ontdekte dat met chroom gedoteerde nanodraden met een germaniumkern en siliciumschil een antiferromagnetische halfgeleider kunnen zijn.

antiferromagnetisme

Verschillende onderzoeksgroepen hebben onlangs de manipulatie van individuele magnetische toestanden in antiferromagnetische materialen aangetoond met behulp van elektrische stroom en lasers. Ze observeerden spindynamiek in de terahertz-frequentie - veel sneller dan de frequentie die wordt gebruikt in onze huidige gegevensopslagapparaten. Deze observatie heeft geleid tot een overvloed aan onderzoeksinteresses in antiferromagnetisme en zou kunnen leiden tot snellere, gegevensopslag met een hogere capaciteit.

"In ons recente werk we hebben met succes de intrigerende eigenschappen van een antiferromagneet gebruikt in een laagdimensionale, complementaire metaaloxide-compatibele halfgeleider (CMOS) nanodraad zonder de halfgeleidende eigenschap van de nanodraad te vernietigen, "Zei Pati. "Dit opent mogelijkheden voor kleinere en slimmere elektronica met een hogere capaciteit voor gegevensopslag en -manipulatie."

Pati voegt eraan toe dat het meest opwindende deel van het onderzoek voor zijn team het blootleggen van het mechanisme was dat antiferromagnetisme dicteert. Het mechanisme wordt superuitwisseling genoemd en regelt de spin van elektronen en de antiparallelle uitlijning die ze antiferromagnetisch maakt. In de nanodraad van het team, germaniumelektronen fungeren als tussenpersoon, een wisselaar, tussen niet-verbonden chroomatomen.

"De interactie tussen de magnetische toestanden van de chroomatomen wordt gemedieerd door de tussenliggende atomen waaraan ze zijn gebonden. Het is een coöperatief magnetisch fenomeen, " zei Pati. "Op een eenvoudige manier, laten we zeggen dat er twee mensen A en B zijn:ze zijn ver van elkaar verwijderd en kunnen niet rechtstreeks communiceren. Maar A heeft een vriend C en B heeft een vriend D. C en D zijn goede vrienden. Dus, A en B kunnen indirect interageren via C en D."

Een beter begrip van hoe elektronen communiceren tussen atoomvrienden maakt meer experimenten mogelijk om het potentieel van materialen zoals met chroom gedoteerde nanodraden te testen. Een beter begrip van de antiferromagnetische aard van het germanium-silicium nanodraadmateriaal is wat het potentieel voor kleinere, slimmer, elektronica met hogere capaciteit.