Các nhà nghiên cứu phát triển một cách mới để điều khiển nam châm

Hệ thống thuận nghịch có thể lật định hướng từ tính của các hạt có điện thế nhỏ; có thể dẫn đến lưu trữ dữ liệu nhanh hơn và cảm biến nhỏ hơn.

Hầu hết các nam châm mà chúng ta gặp hàng ngày được làm bằng vật liệu “sắt từ”. Các trục từ trường bắc nam của hầu hết các nguyên tử trong các vật liệu này được xếp theo cùng một hướng, do đó lực tập hợp của chúng đủ mạnh để tạo ra lực hút đáng kể. Những vật liệu này tạo nền tảng cho hầu hết các thiết bị lưu trữ dữ liệu trong thế giới công nghệ cao ngày nay.

Ít phổ biến hơn là nam châm dựa trên vật liệu sắt từ, với chữ “i”. Trong những nguyên tử này, một số nguyên tử được căn chỉnh theo một hướng, nhưng những nguyên tử khác được căn chỉnh theo hướng ngược lại. Kết quả là, từ trường tổng thể mà chúng tạo ra phụ thuộc vào sự cân bằng giữa hai loại – nếu có nhiều nguyên tử hướng về một phía hơn hướng kia, thì sự khác biệt đó sẽ tạo ra từ trường thuần theo hướng đó.

Về nguyên tắc, do tính chất từ của chúng chịu tác động mạnh mẽ của ngoại lực, vật liệu sắt từ có thể tạo ra các mạch lưu trữ dữ liệu hoặc mạch logic nhanh hơn nhiều và có thể đóng gói nhiều dữ liệu hơn vào một không gian nhất định so với các loại sắt từ thông thường hiện nay. Nhưng cho đến nay vẫn chưa có cách nào đơn giản, nhanh chóng và đáng tin cậy để chuyển hướng của các nam châm này, để lật từ 0 sang 1 trong thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Các nhà nghiên cứu tại MIT và các nơi khác đã phát triển một phương pháp như vậy, một cách nhanh chóng chuyển đổi cực từ của một ferrimagnet 180 độ, chỉ sử dụng một điện áp đặt vào nhỏ. Các nhà nghiên cứu cho biết, khám phá này có thể mở ra một kỷ nguyên mới của logic từ tính và các thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Các phát hiện xuất hiện trên tạp chí Nature Nanotechnology , trong một bài báo của postdoc Mantao Huang, giáo sư khoa học và công nghệ vật liệu của MIT Geoffrey Beach, và giáo sư khoa học và công nghệ hạt nhân Bilge Yildiz, cùng với 15 người khác tại MIT và ở Minnesota, Đức, Tây Ban Nha , và Hàn Quốc.

Hệ thống mới này sử dụng một màng vật liệu gọi là gadolinium coban, một phần của nhóm vật liệu được gọi là ferrimagnet kim loại chuyển tiếp đất hiếm. Trong đó, hai nguyên tố tạo thành mạng lưới nguyên tử lồng vào nhau, và nguyên tử gadolinium ưu tiên có trục từ của chúng thẳng hàng theo một hướng, trong khi nguyên tử coban hướng ngược lại. Sự cân bằng giữa hai yếu tố này trong thành phần của hợp kim quyết định độ từ hóa tổng thể của vật liệu.

Nhưng các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách sử dụng một hiệu điện thế để phân chia các phân tử nước dọc theo bề mặt phim thành oxy và hydro, oxy có thể được thoát ra ngoài trong khi các nguyên tử hydro – hay chính xác hơn là hạt nhân của chúng, là các proton đơn lẻ – có thể thâm nhập sâu vào vật liệu. , và điều này làm thay đổi sự cân bằng của các hướng từ tính. Sự thay đổi đủ để chuyển hướng từ trường ròng 180 độ – chính xác là kiểu đảo ngược hoàn toàn cần thiết cho các thiết bị như bộ nhớ từ.

Huang giải thích: “Chúng tôi nhận thấy rằng bằng cách nạp hydro vào cấu trúc này, chúng tôi có thể giảm mômen từ của gadolinium xuống rất nhiều. Mômen từ là đại lượng đo cường độ của trường tạo ra bởi sự liên kết trục spin của nguyên tử.

Bởi vì sự thay đổi được thực hiện chỉ bằng một sự thay đổi điện áp, chứ không phải là một dòng điện áp dụng có thể gây nóng và do đó lãng phí năng lượng thông qua tản nhiệt, quá trình này có hiệu quả năng lượng cao, Beach, đồng giám đốc Nghiên cứu Vật liệu của MIT, cho biết. Phòng thí nghiệm.

Ông nói, quá trình bơm hạt nhân hydro vào vật liệu hóa ra lại rất lành tính. “Bạn sẽ nghĩ rằng nếu bạn lấy một vật liệu nào đó và bơm một số nguyên tử hoặc ion khác vào vật liệu đó, bạn sẽ nở ra và nứt vỡ nó. Nhưng hóa ra đối với những bộ phim này, và do thực tế là proton là một thực thể nhỏ như vậy, nó có thể xâm nhập vào phần lớn vật liệu này mà không gây ra kiểu mỏi cấu trúc dẫn đến hỏng hóc. “

Sự ổn định đó đã được chứng minh qua các bài kiểm tra cam go. Huang nói rằng vật liệu này đã trải qua 10.000 lần đảo cực mà không có dấu hiệu suy thoái.

Beach nói rằng vật liệu có các đặc tính bổ sung có thể tìm thấy các ứng dụng hữu ích. Ông giải thích: Sự liên kết từ tính giữa các nguyên tử riêng lẻ trong vật liệu có chức năng giống như lò xo. Nếu một nguyên tử bắt đầu chuyển động lệch với các nguyên tử khác, lực giống như lò xo này sẽ kéo nó trở lại. Và khi các vật được nối với nhau bằng lò xo, chúng có xu hướng tạo ra sóng có thể truyền dọc theo vật liệu. “Đối với vật liệu từ tính này, chúng được gọi là sóng spin. Bạn nhận được dao động của từ hóa trong vật liệu, và chúng có thể có tần số rất cao ”.

Trên thực tế, chúng có thể dao động lên trên dải terahertz, ông nói, “điều này khiến chúng có khả năng tạo ra hoặc cảm nhận bức xạ điện từ tần số rất cao một cách độc đáo. Không nhiều chất liệu có thể làm được điều đó ”.

Beach cho biết các ứng dụng tương đối đơn giản của hiện tượng này, dưới dạng cảm biến, có thể thực hiện được trong vòng vài năm, nhưng những ứng dụng phức tạp hơn như dữ liệu và mạch logic sẽ mất nhiều thời gian hơn, một phần vì toàn bộ lĩnh vực công nghệ dựa trên ferrimagnet là tương đối Mới.

Ông nói, phương pháp luận cơ bản, ngoài những loại ứng dụng từ tính cụ thể này, còn có thể có những cách sử dụng khác. Ông giải thích: “Đây là một cách để kiểm soát các thuộc tính bên trong phần lớn vật liệu bằng cách sử dụng điện trường. “Điều đó tự nó là khá đáng chú ý.” Ông nói: “Các công việc khác đã được thực hiện về việc kiểm soát các đặc tính bề mặt bằng cách sử dụng điện áp áp dụng, nhưng thực tế là phương pháp bơm hydro này cho phép sự thay đổi sâu như vậy cho phép“ kiểm soát một loạt các đặc tính, ”ông nói.

Hyunsoo Yang, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Quốc gia Singapore, cho biết: “Chuyển đổi điều khiển bằng điện áp đã được tìm kiếm để giảm tiêu thụ điện năng của các thiết bị quay, đây là cơ chế cốt lõi của công nghệ silicon hiện đại”. không liên quan đến nghiên cứu này. Ông cho biết thêm: “Công trình này đã áp dụng khái niệm điều khiển điện áp vào một ferrimagnet để chuyển đổi mạng con chi phối, dẫn đến việc ghi bit từ tính hiệu quả. Ông nói, nếu điện áp cần thiết có thể được giảm xuống và tốc độ được cải thiện, phương pháp mới này có thể “có khả năng cách mạng hóa lĩnh vực này”.

Tham khảo: “Điều khiển điện áp theo trật tự từ tính và cách viết có hỗ trợ điện áp của kết cấu quay từ tính” của Mantao Huang, Muhammad Usama Hasan, Konstantin Klyukin, Delin Zhang, Deyuan Lyu, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Sara Sheffels, Alexandra Churikova, Felix Büttner, Jonas Zehner, Lucas Caretta, Ki-Young Lee, Joonyeon Chang, Jian-Ping Wang, Karin Leistner, Bilge Yildiz và Geoffrey SD Beach, 29 tháng 7 năm 2021, Nature Nanotechnology .
DOI: 10.1038 / s41565-021-00940-1

Nhóm nghiên cứu bao gồm các nhà nghiên cứu tại Đại học Minnesota, Nguồn sáng đồng bộ ALBA ở Barcelona, Tây Ban Nha; Đại học Công nghệ Chemnitz; Leibnitz IFW ở Đức; Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc; và Đại học Yonsei, ở Seoul. Công trình được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia; Cơ quan Dự án Nghiên cứu Tiên tiến Quốc phòng; Trung tâm Vật liệu Spintronic cho Công nghệ Thông tin Tiên tiến; Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc; Quỹ Khoa học Đức; Bộ Kinh tế và Năng lực cạnh tranh của Tây Ban Nha; và Chương trình Nghiên cứu sinh Kavanaugh tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại MIT.

Theo Scitechdaily