(a) Schematisk illustration av Seebeck-inställningen utanför planets spinn för YIG/Cr 2 O 3 /Pt trelagersenhet. Kredit:Nature Publishing Group
Forskare vid Tohoku University i Japan har upptäckt en omkopplare för att styra spinnströmmen, en mekanism som behövs för informationsbehandling med full spin-baserade enheter.
Detta är viktigt eftersom även om tekniken bakom detektering och generering av spinström har etablerats under en tid, en komponent som saknats länge i spintronikens historia har varit en "spinströmbrytare". Det är motsvarigheten till transistorn som används i elektronik för att aktivera och inaktivera flödet av el.
Spintronik är ett framväxande område av elektronik i nanoskala som använder inte bara laddningen av elektroner utan också spinn av elektroner. Tekniken kräver inte ett specialiserat halvledarmaterial vilket resulterar i minskade tillverkningskostnader.
Andra fördelar inkluderar mindre energibehov, samt låg strömförbrukning med konkurrenskraftig dataöverföring och lagringskapacitet. Det har använts i en mängd olika enheter för informationsbehandling, minne och lagring – i synnerhet, hårddiskar med ultrahög densitet och icke-flyktiga minnen.
Material har inbyggda mekanismer för att möjliggöra elektrisk detektering av spinnströmmen, såsom den omvända spin hall-effekten (ISHE). Genom att använda ISHE, spinnström som genereras av andra former av energi som mikrovågor (spinpumpning) och värme (spin Seebeck-effekt) omvandlas till elektrisk spänning i materialet.
(b.) En TEM-bild i tvärsnitt av YIG/Cr2O3/Pt treskiktsenheten som används i detta arbete. Skalstång, 5 nm. Varje lager gör ren kristallstruktur. Kredit:Nature Publishing Group
Nu, Zhiyong Qiu, Dazhi Hou, Eiji Saitoh, och medarbetare vid Tohoku och Mainz universitet, har bevisat att en nyutvecklad skiktad struktur av material fungerar som en spinnströmbrytare. Med hjälp av strukturen, de kunde kontrollera överföringen av spinnström vid en 500 % ökning vid nära rumstemperatur.
Treskiktsstrukturen smörjer Cr 2 O 3 mellan yttriumjärngranat (YIG) och platina (Pt). YIG/Pt-paret är en standardkombination av material som används för att undersöka spinnströmflödet - båda är isolatorer där elektroner inte kan flöda. YIG, en ferrimagnet elektrisk isolator, genererar spinström som svar på RF-mikrovågs- eller temperaturgradient och Pt, en paramagnetisk metall, detekterar spinnströmmen som en elektrisk spänning via ISHE.
Genom att placera Cr 2 O 3 mellan materialen, spänningssignalen vid Pt reflekterar hur mycket Cr 2 O 3 lager kan överföra spinnströmmen. Forskarna undersökte förändringen av spänningen mot temperaturen och det applicerade magnetfältet.
"Vi observerade en massiv minskning av spänningssignalen när vi passerade temperaturen vid cirka 300K, vid vilken tidpunkt Cr 2 O 3 ändrar sin fas från paramagnet till antiferromagnet (nålspets), " sade biträdande professor Dazhi Hou. Förändringen av spinnströmöverföringen är en nästan 500 % ökning under applicering av ett magnetfält. Detta beteende tyder på att den skiktade strukturen fungerar som en spinnströmbrytare när den korsar Neel-punkten av Cr 2 O 3 eller applicera ett magnetfält.
"Precis som transistorn revolutionerade elektroniken genom att möjliggöra skalbar utveckling av elektroniska enheter, upptäckten av en spinnströmbrytare kommer sannolikt att ta spintroniken i en ny riktning, " sa professor Eiji Saitoh. "Det är en betydande utveckling."
