Kondensatorer, elektroniska komponenter som lagrar och snabbt släpper en laddning, spelar en viktig roll i många typer av elektriska kretsar. De kommer att spela en lika viktig roll i nästa generations spintronic-enheter, som drar fördel av inte bara elektronladdning utan också spinn—det lilla magnetiska momentet för varje elektron.

Två år sedan, ett internationellt team av forskare visade att genom att manipulera elektronspin vid en kvantmagnetisk tunnelövergång - en sandwich i nanoskala gjord av två metallelektroder med en isolator i mitten - kunde de inducera en stor ökning av korsningens kapacitans.

Nu, samma forskargrupp har vänt manuset om fenomenet, känd som magnetokapacitans. I en artikel publicerad i tidningen Vetenskapliga rapporter , de visar att genom att använda olika material för att bygga en kvanttunnelkorsning, de kunde ändra kapacitansen genom att manipulera snurr på motsatt sätt från "normal" magnetokapacitans. Denna omvända effekt, forskarna säger, lägger till ytterligare ett potentiellt användbart fenomen till spintronics verktygslåda.

"Det ger oss mer parameterutrymme för att designa enheter, sa Gang Xiao, ordförande för fysikavdelningen på Brown och en av tidningens medförfattare. "Ibland kan normal kapacitans vara bättre, ibland kan det omvända vara bättre, beroende på applikation. Detta ger oss lite mer flexibilitet."

Magnetokondensatorer kan vara särskilt användbara, Xiao säger, att tillverka magnetiska sensorer för en rad olika spintroniska enheter, inklusive datorhårddiskar och nästa generations random access memory chips.

Forskningen var ett samarbete mellan Xiaos labb på Brown, Hideo Kaiju och Taro Nagahamas labb vid Japans Hokkaido University och Osamu Kitakamis labb vid Tohoku University.

Xiao har undersökt magnetiska tunnelkorsningar i flera år. De små kopplingarna kan fungera på ungefär samma sätt som kondensatorer i standardkretsar. Isolatorn mellan de två ledande elektroderna bromsar det fria flödet av ström över korsningen, skapa motstånd och ett annat fenomen, kapacitans.

Men det som gör tunnelövergångar särskilt intressanta är att mängden kapacitans kan ändras dynamiskt genom att manipulera elektronernas spinn i de två metallelektroderna. Elektroderna är magnetiska, vilket betyder att elektroner som snurrar inom varje elektrod pekar i en viss riktning. Den relativa spinnriktningen mellan två elektroder bestämmer hur mycket kapacitans som finns vid övergången.

I deras inledande arbete med detta fenomen, Xiao och forskargruppen visade hur stor förändringen i kapacitansen kan vara. Använda elektroder gjorda av järn-kobolt-bor, de visade att genom att vända snurr från antiparallell till parallell, de skulle kunna öka kapacitansen i experiment med 150 procent. Baserat på dessa resultat, teamet utvecklade en teori som förutsäger att, under idealiska förhållanden, förändringen i kapacitans kan faktiskt gå så högt som 1, 000 procent.

Teorin föreslog också att användning av elektroder gjorda av olika typer av metaller skulle skapa en omvänd magnetokapacitanseffekt, en där antiparallella snurr skapar mer kapacitans än parallella snurr. Det är precis vad de visade i den här senaste studien.

"Vi använde järn för en elektrod och järnoxid för den andra, " sa Xiao. "De elektriska egenskaperna hos de två är spegelbilder av varandra, det är därför vi observerade denna omvända magnetokapacitanseffekt."

Xiao säger att fynden inte bara tyder på ett större parameterutrymme för användning av magnetokapacitans i spintroniska enheter, de ger också viktig verifikation för teorin som forskare använder för att förklara fenomenet.

"Nu ser vi att teorierna passar bra med experimentet, så att vi kan vara säkra på att använda våra teoretiska modeller för att maximera dessa effekter, antingen den "normala" effekten eller den omvända effekten som vi har visat här, sa Xiao.