Ingenjörer vid University of California, Riverside, har rapporterat framsteg inom så kallade "spintroniska" enheter som kommer att hjälpa till att leda till en ny teknik för datorer och datalagring. De har utvecklat metoder för att upptäcka signaler från spintroniska komponenter gjorda av billiga metaller och kisel, som övervinner en stor barriär för bred tillämpning av spintronik. Tidigare var sådana enheter beroende av komplexa strukturer som använde sällsynta och dyra metaller som platina. Forskarna leddes av Sandeep Kumar, en biträdande professor i maskinteknik.

Spintronic-enheter lovar att lösa stora problem i dagens elektroniska datorer, genom att datorerna använder enorma mängder elektricitet och genererar värme som kräver ännu mer energi för kylning. Däremot spintroniska enheter genererar lite värme och använder relativt små mängder elektricitet. Spintronic-datorer skulle inte kräva någon energi för att behålla data i minnet. De skulle också starta omedelbart och ha potential att bli mycket kraftfullare än dagens datorer.

Medan elektronik beror på laddningen av elektroner för att generera binära ettor eller nollor av datordata, spintronik beror på egenskapen hos elektroner som kallas spin. Spintroniska material registrerar binära data via "upp" eller "ner" spinnorientering av elektroner - som norr och söder om stångmagneter - i materialen. En stor barriär för utvecklingen av spintronikenheter är att generera och detektera de oändliga elektriska spinnsignalerna i spintroniska material.

I en artikel publicerad i januarinumret av den vetenskapliga tidskriften Bokstäver i tillämpad fysik , Kumar och kollegor rapporterade en effektiv teknik för att detektera spinnströmmarna i en enkel tvålagers sandwich av kisel och en nickel-järnlegering som kallas Permalloy. Alla tre komponenterna är både billiga och rikliga och skulle kunna utgöra grunden för kommersiella spintroniska enheter. De fungerar även i rumstemperatur. Skikten skapades med de mycket använda elektroniktillverkningsprocesserna som kallas sputtering. Medförfattare till tidningen var doktoranderna Ravindra Bhardwaj och Paul Lou.

I deras experiment, forskarna värmde upp ena sidan av Permalloy-kisel bi-layer sandwich för att skapa en temperaturgradient, som genererade en elektrisk spänning i dubbelskiktet. Spänningen berodde på ett fenomen som kallas spin-Seebeck-effekten. Ingenjörerna fann att de kunde upptäcka den resulterande "spin-strömmen" i dubbelskiktet på grund av ett annat fenomen som kallas den "omvända spin-Hall-effekten."

Forskarna sa att deras resultat kommer att tillämpas på effektiv magnetisk omkoppling i datorminnen, och "dessa vetenskapliga genombrott kan ge impulser" till utvecklingen av sådana enheter. Mer allmänt, de drog slutsatsen, "Dessa resultat tar det allestädes närvarande Si (kisel) till frontlinjen för forskning inom spintronik och kommer att lägga grunden för energieffektiva Si-spintronics- och Si-spin-kaloritronikenheter."

I två andra vetenskapliga artiklar, forskarna visade att de kunde generera en nyckelegenskap för spintronikmaterial, kallas antiferromagnetism, i kisel. Prestationen öppnar en viktig väg till kommersiell spintronik, sa forskarna, med tanke på att kisel är billigt och kan tillverkas med en mogen teknik med en lång historia av tillämpning inom elektronik.

Ferromagnetism är egenskapen hos magnetiska material där atomernas magnetiska poler är inriktade i samma riktning. I kontrast, antiferromagnetism är en egenskap där närliggande atomer är magnetiskt orienterade i motsatta riktningar. Dessa "magnetiska ögonblick" beror på elektronernas spinn i atomerna, och är central för tillämpningen av materialen inom spintronik.

I de två tidningarna, Kumar och Lou rapporterade att de upptäckt antiferromagnetism i de två typerna av kisel - kallad n-typ och p-typ - som används i transistorer och andra elektroniska komponenter. Halvledarkisel av N-typ är "dopat" med ämnen som gör att det har ett överflöd av negativt laddade elektroner; och kisel av p-typ är dopat för att ha en stor koncentration av positivt laddade "hål". Kombinationen av de två typerna möjliggör omkoppling av ström i sådana enheter som transistorer som används i datorminnen och annan elektronik.

I tidningen i Journal of Magnetism and Magnetic Materials , Lou och Kumar rapporterade att de upptäckt spin-Hall-effekten och antiferromagnetism i n-kisel. Deras experiment använde en tunn flerskiktsfilm bestående av palladium, nickel-järn Permalloy, manganoxid och n-kisel.

Och i den andra tidningen, i den vetenskapliga tidskriften physica status solidi , de rapporterade detektering i p-kisel spin-driven antiferromagnetism och en övergång av kisel mellan metall och isolatoregenskaper. Dessa experiment använde en tunn film som liknade de med n-kisel.

Forskarna skrev i den senare artikeln att "Det observerade framväxande antiferromagnetiska beteendet kan lägga grunden för Si (kisel) spintronik och kan förändra varje fält som involverar Si tunna filmer. Dessa experiment presenterar också potentiell elektrisk kontroll av magnetiskt beteende med hjälp av enkel halvledarelektronikfysik. Den observerade stora förändringen i motstånd och dopingberoende av fastransformation uppmuntrar utvecklingen av antiferromagnetiska och fasförändringsspintroniska enheter."

I vidare studier, Kumar och hans kollegor utvecklar teknologi för att koppla på och stänga av spinnströmmar i materialen, med det slutliga målet att skapa en spintransistor. De arbetar också med att generera större, högre spänning spintronic chips. Resultatet av deras arbete kan bli extremt lågeffekt, kompakta sändare och sensorer, samt energieffektiv datalagring och datorminnen, sa Kumar.