En ny experimentell upptäckt, ledd av forskare vid University of Minnesota, visar att det kemiska elementet rutenium (Ru) är det fjärde enda elementet som har unika magnetiska egenskaper vid rumstemperatur. Upptäckten kan användas för att förbättra sensorer, enheter i datorminnet och logikindustrin, eller andra enheter som använder magnetiska material.

Användning av ferromagnetism, eller den grundläggande mekanism genom vilken vissa material (såsom järn) bildar permanenta magneter eller lockas till magneter, når tillbaka så långt som i forna tider när lodestone användes för navigering. Sedan dess har endast tre element i det periodiska systemet visat sig vara ferromagnetiska vid rumstemperatur - järn (Fe), kobolt (Co), och nickel (Ni). Det sällsynta jordelementet gadolinium (Gd) missar nästan bara 8 grader Celsius.

Magnetiska material är mycket viktiga inom industrin och modern teknik och har använts för grundläggande studier och i många vardagliga tillämpningar som sensorer, elektriska motorer, generatorer, hårddiskmedia, och senast spintronic minnen. Eftersom tunnfilmstillväxten har förbättrats under de senaste decennierna, så har förmågan att styra strukturen hos kristallgitter - eller till och med tvinga strukturer som är omöjliga i naturen. Denna nya studie visar att Ru kan vara det fjärde enda elementet ferromagnetiskt material genom att använda ultratunna filmer för att tvinga den ferromagnetiska fasen.

Detaljerna om deras arbete publiceras i det senaste numret av Naturkommunikation . Huvudförfattaren till uppsatsen är en nyligen doktorand vid University of Minnesota. examen Patrick Quarterman, som är postdoktor i National Research Council (NRC) vid National Institute of Standards and Technology (NIST).

"Magnetism är alltid fantastisk. Det bevisar sig själv igen. Vi är glada och tacksamma över att vara den första gruppen som experimentellt demonstrerar och lägger till det fjärde ferromagnetiska elementet vid rumstemperatur i det periodiska systemet, " sa University of Minnesota Robert F. Hartmann professor i el- och datateknik Jian-Ping Wang, motsvarande författare för tidningen och Quartermans rådgivare.

"Det här är ett spännande men svårt problem. Det tog oss ungefär två år att hitta ett rätt sätt att odla detta material och validera det. Detta arbete kommer att trigga magnetforskningssamhället att undersöka grundläggande aspekter av magnetism för många välkända element, " tillade Wang.

Andra medlemmar i teamet betonade också vikten av detta arbete.

"Förmågan att manipulera och karakterisera materia i atomskala är hörnstenen i modern informationsteknik, "säger studieförfattaren Paul Voyles, en Beckwith-Bascom professor och ordförande för institutionen för materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin-Madison. "Vårt samarbete med University of Minnesota Professor Wangs grupp visar att dessa verktyg kan hitta nya saker även i de enklaste systemen, som bara består av ett enda element."

Branschpartner är överens om att samarbete är nyckeln till innovation

"Intel är nöjd med det långsiktiga forskningssamarbete som det har med University of Minnesota och C-SPIN [Center for Spintronic Materials, Gränssnitt, och nya arkitekturer], sa Ian A. Young, Seniorkollega och direktör på Intel Corporation. "Vi är glada att kunna dela med oss ​​av denna utveckling genom att utforska beteendet hos kvanteffekter i material, som kan ge insikter för innovativa energieffektiva logik- och minnesenheter. "Andra branschledare är överens om att denna upptäckt kommer att påverka halvledarindustrin.

"Spintronic -enheter har en snabbt ökande betydelse för halvledarindustrin, "sa Todd Younkin, direktören för Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA)-sponsrade konsortier vid Semiconductor Research Corporation (SRC). "Grundläggande framsteg i vår förståelse av magnetiska material, som de som demonstrerades i denna studie av professor Wang och hans team, är avgörande för att förverkliga fortsatta genombrott i datorprestanda och effektivitet."

Ny teknik kräver nya material

Magnetisk inspelning är fortfarande den dominerande aktören inom datalagringsteknik, men magnetbaserat slumpmässigt åtkomstminne och datorer börjar ta plats. Dessa magnetiska minnen och logiska enheter sätter ytterligare begränsningar på de magnetiska materialen, där data lagras och beräknas, jämfört med traditionella magnetiska material på hårddiskmedia. Denna drivkraft för nya material har lett till förnyat intresse för försök att förverkliga förutsägelser som visar att under de rätta förutsättningarna, icke-ferromagnetiska material, som Ru, palladium (Pd) och osmium (Os) kan bli ferromagnetiska.

Utifrån de etablerade teoretiska förutsägelserna, forskare vid University of Minnesota använde fröskiktsteknik för att tvinga den tetragonala fasen av Ru, som föredrar att ha en sexkantig konfiguration, och observerade den första instansen av ferromagnetism i ett enda element vid rumstemperatur. Kristallstrukturen och de magnetiska egenskaperna kännetecknades omfattande av samarbete med University of Minnesota's Characterization Facility och kollegor vid University of Wisconsin.

Forskarna sa att denna studie öppnar dörren till grundläggande studier av denna nya ferromagnetiska Ru. Ur ett applikationsperspektiv, Ru är intressant eftersom det är resistent mot oxidation, och ytterligare teoretiska förutsägelser hävdar att den har hög termisk stabilitet - ett viktigt krav för skalning av magnetminnen. Undersökning av denna höga termiska stabilitet är fokus för pågående forskning vid University of Minnesota.