Cơ chế “Tách” Electron Quay trong Vật liệu Từ tính – Có thể Kích hoạt Thiết bị Bộ nhớ Tiết kiệm Năng lượng Mới

Các nhà khoa học đã phát hiện ra một chiến lược chuyển từ hóa trong các lớp mỏng của một nam châm, một kỹ thuật cuối cùng có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị nhớ từ tính tiết kiệm năng lượng hơn. (Khái niệm nghệ sĩ.)

Các nhà nghiên cứu của Cornell đã xác định một cách tiếp cận để chuyển từ tính trong các lớp mỏng của một nam châm bằng cách giữ vật liệu thích hợp ở góc thích hợp – một kỹ thuật cuối cùng có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị nhớ từ tính tiết kiệm năng lượng hơn.

Bài báo của nhóm nghiên cứu, “Dòng điện quay nghiêng được tạo ra bởi nam châm phản lực Collinear Ruthenium Dioxide,” đã được xuất bản vào ngày hôm nay (5 tháng 5 năm 2022) trên tạp chí Nature Electronics . Đồng tác giả của bài báo là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Arnab Bose và các sinh viên tiến sĩ Nathaniel Schreiber và Rakshit Jain.

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã cố gắng thay đổi hướng của spin electron trong vật liệu từ tính bằng cách điều khiển chúng với từ trường. Nhưng các nhà khoa học bao gồm Dan Ralph, Giáo sư Vật lý FR Newman tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật và tác giả chính của bài báo, thay vào đó đã tìm cách sử dụng dòng spin do các electron mang theo, tồn tại khi các electron quay chủ yếu theo một hướng.

Khi các dòng spin này tương tác với một lớp từ tính mỏng, chúng sẽ truyền mômen động lượng của chúng và tạo ra mômen xoắn đủ để chuyển từ hóa 180 độ. (Quá trình chuyển đổi hướng từ tính này là cách người ta ghi thông tin vào các thiết bị bộ nhớ từ tính.)

Nhóm của Ralph đã tập trung vào việc tìm cách điều khiển hướng quay của dòng xoáy bằng cách tạo ra chúng bằng vật liệu phản sắt từ. Trong phản nam châm, mọi điện tử quay theo hướng ngược lại, do đó không có từ hóa thuần.

“Về cơ bản, trật tự phản sắt từ có thể làm giảm độ đối xứng của các mẫu đủ để cho phép tồn tại các định hướng khác thường của dòng điện quay,” Ralph nói. “Cơ chế của các phản nam châm dường như cũng cung cấp một cách để thực sự nhận được dòng xoáy khá mạnh.”

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm với chất phản nam châm ruthenium dioxide và đo cách dòng điện quay của nó làm nghiêng sự từ hóa trong một lớp mỏng của hợp kim từ tính niken-sắt được gọi là Permalloy, là một nam châm mềm. Để vạch ra các thành phần khác nhau của mô-men xoắn, họ đã đo ảnh hưởng của nó ở nhiều góc từ trường khác nhau.

“Ban đầu chúng tôi không biết mình đang nhìn thấy gì. Nó hoàn toàn khác với những gì chúng tôi đã thấy trước đây, và chúng tôi đã mất rất nhiều thời gian để tìm ra nó là gì ”, Jain nói. “Ngoài ra, những vật liệu này rất khó để tích hợp vào các thiết bị nhớ, và hy vọng của chúng tôi là tìm ra những vật liệu khác sẽ thể hiện hành vi tương tự và có thể được tích hợp một cách dễ dàng.”

Các nhà nghiên cứu cuối cùng đã xác định được một cơ chế được gọi là “sự phân tách spin phụ thuộc xung lượng”, chỉ có ở ôxít ruthenium và các phản nam châm khác trong cùng lớp.

“Trong một thời gian dài, mọi người cho rằng trong các phản nam châm quay lên và quay xuống các điện tử luôn hoạt động giống nhau. Ralph nói. “Các trạng thái điện tử quay lên và quay xuống về cơ bản có những phụ thuộc khác nhau. Một khi bạn bắt đầu áp dụng điện trường, điều đó ngay lập tức cung cấp cho bạn cách tạo ra dòng spin mạnh vì các electron quay lên và quay xuống phản ứng khác nhau. Vì vậy, bạn có thể tăng tốc một trong số chúng hơn cái kia và nhận được dòng điện quay mạnh theo cách đó. “

Cơ chế này đã được đưa ra giả thuyết nhưng chưa bao giờ được ghi lại trước đây. Khi cấu trúc tinh thể trong phản nam châm được định hướng thích hợp trong các thiết bị, cơ chế cho phép dòng điện quay nghiêng theo một góc có thể cho phép chuyển đổi từ tính hiệu quả hơn so với các tương tác quỹ đạo quay khác.

Giờ đây, nhóm của Ralph đang hy vọng tìm ra cách tạo ra các phản nam châm trong đó họ có thể điều khiển cấu trúc miền – tức là các vùng mà mômen từ của các electron sắp xếp theo cùng một hướng – và nghiên cứu từng miền riêng lẻ, điều này là một thách thức vì các miền hỗn hợp bình thường.

Cuối cùng, cách tiếp cận của các nhà nghiên cứu có thể dẫn đến những tiến bộ trong công nghệ kết hợp bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính.

“Hy vọng sẽ là tạo ra các thiết bị nhớ từ tính rất hiệu quả, rất dày đặc và không bay hơi sẽ cải tiến dựa trên các thiết bị nhớ silicon hiện có,” Ralph nói. “Điều đó sẽ cho phép một sự thay đổi thực sự trong cách thức thực hiện bộ nhớ trong máy tính vì bạn sẽ có một thứ gì đó về cơ bản có độ bền vô hạn, rất dày đặc, rất nhanh và thông tin vẫn tồn tại ngay cả khi tắt nguồn. Không có ký ức nào làm được điều đó những ngày này. “

Tham khảo: “Dòng điện quay nghiêng được tạo ra bởi phản nam châm thẳng hàng ruthenium dioxide” của Arnab Bose, Nathaniel J. Schreiber, Rakshit Jain, Ding-Fu Shao, Hari P. Nair, Jiaxin Sun, Xiyue S. Zhang, David A. Muller, Evgeny Y. Tsymbal, Darrell G. Schlom và Daniel C. Ralph, ngày 5 tháng 5 năm 2022, Điện tử tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41928-022-00744-8

Các đồng tác giả bao gồm cựu nhà nghiên cứu sau tiến sĩ Ding-Fu Shao; Hari Nair, trợ lý giáo sư nghiên cứu về khoa học vật liệu và kỹ thuật; nghiên cứu sinh tiến sĩ Jiaxin Sun và Xiyue Zhang; David Muller, Giáo sư Kỹ thuật Samuel B. Eckert; Evgeny Tsymbal của Đại học Nebraska; và Darrell Schlom, Giáo sư Hóa học Công nghiệp Herbert Fisk Johnson.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cornell (CCMR), với sự tài trợ từ chương trình Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Nghiên cứu Vật liệu của Quỹ Khoa học Quốc gia, Nền tảng được hỗ trợ bởi NSF cho Vật liệu Giao diện (PARADIM), Sáng kiến EPiQS của Quỹ Gordon và Betty Moore, và chương trình Nghiên cứu Dụng cụ Chính của NSF.

Các thiết bị được chế tạo bằng cách sử dụng các cơ sở chung của Cơ sở Khoa học và Công nghệ Cornell NanoScale và CCMR.

Theo Scitechdaily