De ontwikkeling van innovatieve magnetische nanodevices komt een stap dichter bij de werkelijkheid dankzij de waarneming door RIKEN-natuurkundigen van een soort rotatie die kan worden gerealiseerd in materialen bestaande uit lichte elementen.

De mogelijkheid om elektrische stromen te gebruiken om draaiende mechanische onderdelen te laten draaien, leidde tot de ontwikkeling van elektromotoren en veroorzaakte een explosie in elektrische apparaten. Nutsvoorzieningen, natuurkundigen proberen hetzelfde te doen, maar op nanoschaal. Echter, de ontwikkeling van innovatieve magnetische nanodevices vereist de efficiënte elektrische opwekking van rotatie, of koppel.

Gebruikelijk, koppel wordt gegenereerd in magnetische systemen door elektrische lading om te zetten in spin door gebruik te maken van de sterke spin-baaninteractie van een laag van zware metalen. De resulterende spinstroom wordt vervolgens geïnjecteerd in aangrenzende ferromagnetische lagen. Maar materialen met zware elementen zijn vaak onverenigbaar met schaalbare productieprocessen, en hun hoge weerstand maakt ze ongeschikt voor sommige toepassingen.

Een recent theoretisch voorstel suggereerde dat koppel zou kunnen worden geproduceerd door orbitaal impulsmoment in ferromagnetische lagen te injecteren. Het baanimpulsmoment kan worden gegenereerd door een elektrische stroom door materialen met lichtelementen te laten gaan. Het kan vervolgens worden omgezet in spin door de spin-baaninteractie van een ferromagnetische laag. Dit type koppel wordt orbitaal koppel genoemd, en het kan in grootte vergelijkbaar zijn met het koppel dat wordt veroorzaakt door spin-injectie.

Nutsvoorzieningen, Junyeon Kim, YoshiChika Otani en medewerkers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, samen met internationale medewerkers, een dergelijke efficiënte koppelgeneratie hebben gerealiseerd in drielaagse systemen bestaande uit een ferromagnetische laag, een koperlaag en een aluminiumoxide (Al ₂ O ₃ ) laag.

In dit systeem, het orbitale impulsmoment wordt gegenereerd op het koper-aluminiumoxide-interface en vervolgens door de koperlaag naar de ferromagnetische laag getransporteerd, waar het wordt omgezet in spin.

Hoewel de koppelgeneratie-efficiëntie van dit systeem wedijverde met die van materialen die zware elementen bevatten, de onderliggende fysica is fundamenteel anders. Het team ontdekte dat de efficiëntie van het genereren van koppels met twee ordes van grootte varieerde wanneer verschillende ferromagnetische lagen werden gebruikt. Dit is heel anders dan het gedrag van spin-injectiesystemen, bevestigen dat er een nieuw type koppel aan het werk is.

Een CoFe/Cu/Al ₂ O ₃ drielagensysteem - degene die de beste resultaten gaf - vertoonde een effectieve spin Hall-geleiding, die evenredig is met de efficiëntie van de koppelgeneratie, tien keer groter dan die waargenomen in materialen met zware elementen. Deze uitzonderlijke spingeleidbaarheid vertaalt zich in een energiezuinige werking van het apparaat en een hoge recyclebaarheid dankzij een lagere productie van afvalwarmte. Deze resultaten verbreden de materiaalkeuzes voor magnetische nanodevices, veelbelovende opmerkelijke efficiënties en de mogelijkheid van massaproductie.