PSI-forskare har fått en grundläggande förståelse för ett mycket lovande material som skulle kunna passa för framtida datalagringstillämpningar. Deras experiment med strontium-iridiumoxid, Sr ₂ IrO ₄ , undersökte både magnetiska och elektroniska egenskaper hos materialet som en tunn film. De analyserade också hur dessa egenskaper systematiskt kan kontrolleras genom att manipulera filmerna. Denna studie möjliggjordes av sofistikerad röntgenspridning, en teknik där PSI-forskare är bland världens experter. Resultaten publiceras idag i tidskriften Förfaranden från National Academy of Sciences .

I sin strävan efter framtidens magnetiska datalagring, forskare letar efter lämpliga material med egenskaper som kan anpassas så flexibelt som möjligt. En lovande kandidat är strontium-iridiumoxid, en metalloxid med den kemiska notationen Sr ₂ IrO ₄ . PSI-forskare har undersökt detta material, arbeta tillsammans med kollegor i Polen, USA och Frankrike.

"Nyckelordet i vår forskning är spintronik, " förklarar Thorsten Schmitt, Chef för PSI:s forskningsgrupp för spektroskopi av nya material. Spintronics använder både elektronens elektriska laddning och dess interna spinn för att utveckla avancerade elektroniska komponenter.

Spintronics används redan i dagens hårddiskar, men egenskaperna hos materialen som används är baserade på "normal" magnetism:ferromagneter som järn eller nickel där spinnen är anordnade parallellt. Deras nackdel är det relativt stora avståndet som krävs mellan de ferromagnetiska datalagringspunkterna, dvs. bitarna, för att förhindra korsinterferens.

Experter tror att antiferromagnetiska material kan erbjuda ett lovande alternativ, eftersom deras snurr är ordnade i motsatta riktningar. Visas externt, antiferromagnetiska material är därför magnetiskt neutrala. Därför skulle en antiferromagnetisk bit inte störa sin granne. "Dessa bitar kan packas tätare ihop, så att mer data kan lagras på samma utrymme, " säger Schmitt. "Utöver det, läs- och skrivoperationer för data är mycket snabbare."

Strontium-iridiumoxid är ett sådant antiferromagnetiskt material. Det är i huvudsak en kristall inom vilken iridium- och syreatomerna bildar små oktaedrar. "Vi kallar detta en perovskitstruktur, " förklarar Milan Radovic, en fysiker vid PSI och medförfattare till den nya studien. "Det är ett idealiskt material för att systematiskt manipulera dess funktionella egenskaper, ", tillägger Radovic.

Manipulera tunna filmer

För att utföra sådan manipulation och upptäcka mer om egenskaperna hos detta mycket lovande material, PSI-forskare tillämpade en tunn, kristallint skikt av Sr ₂ IrO ₄ som huvudfilm på olika kristallina substrat. Tanken är att substratet leder till att den applicerade filmens kristallina struktur förvrängs. "Det är som om vi drog eller komprimerade vårt material på atomnivå, ", förklarar Schmitt. Detta gör att perovskitoktaedrarna vrids och förskjuts något mot varandra, i slutändan förändrar materialets egenskaper som helhet.

Denna metod gör det möjligt att systematiskt finjustera materialets magnetiska och elektroniska egenskaper. Och eftersom denna typ av material redan används i elektroniska komponenter i form av tunna filmer, att utveckla applikationer inom detta område skulle vara nästa logiska steg.

Att få en global bild

För djupgående analys av deras prover, PSI-forskare använde en speciell röntgenteknik som har utvecklats kraftigt av PSI, känd som Resonant Inelastic X-Ray-Scattering, eller RIXS för kort. På PSI använde forskarna mjuka röntgenstrålar för att utföra sina RIXS-experiment. Forskningen i Schweiz kompletterades med ytterligare precisionsmätningar med hårda röntgenstrålar med högre energi utförda vid European Synchrotron Radiation Facility i Grenoble och Advanced Photon Source i Argonne, U.S.A.

"De flesta metoder fokuserar separat på antingen magnetismen eller de elektroniska egenskaperna, " Schmitt förklarar. "Med RIXS, å andra sidan, vi kan undersöka båda fastigheterna med samma mått och jämföra dem direkt med varandra. Kort sagt:vi har framgångsrikt fått en global bild av vårt prov."

Forskarna kunde upptäcka hur de elektroniska egenskaperna förändras när det kristallina gittret hos Sr ₂ IrO ₄ filmen är förvrängd, och hur denna utveckling är kopplad till förändringen i magnetismen. Båda går hand i hand – och ger viktiga resultat för potentiella tillämpningar.

Supraledare som ett paradigm

Specifikt, gruppen lyckades modifiera strontium-iridiumoxiden så att dess magnetiska egenskaper efterliknar en annan klass av fascinerande material:högtemperatursupraledare bestående av kopparoxidskikt, även känd som cuprates. Dessa har också en perovskitliknande struktur. I deras experiment, PSI-forskare drog och vred Sr ₂ IrO ₄ film så att atomavstånden i kristallgittret expanderade och dessutom en rotation inträffade. "Detta gjorde det möjligt för oss att få materialet att replikera egenskaperna hos en kuprat, " säger Schmitt. "Men, vi är fortfarande långt ifrån att producera en ny supraledare, " han säger, innan någon får upp sina förhoppningar. Han tror också att det kan ta ytterligare 10 eller 20 år innan de nuvarande fynden eventuellt kommer att bidra till utvecklingen av nya datalagringsapplikationer. "Vår uppgift är att producera grundforskning. Detta är oerhört viktigt som ett språngbräde i den framtida utvecklingen av nya material."