Ett nytt tillvägagångssätt för att kontrollera magnetism i ett mikrochip kan öppna dörrarna till minnet, datoranvändning, och sensorer som förbrukar drastiskt mindre ström än befintliga versioner. Tillvägagångssättet kan också övervinna några av de inneboende fysiska begränsningarna som har bromsat framstegen på detta område fram till nu.

Forskare vid MIT och vid Brookhaven National Laboratory har visat att de kan kontrollera de magnetiska egenskaperna hos ett tunnfilmsmaterial helt enkelt genom att applicera en liten spänning. Förändringar i magnetisk orientering som görs på detta sätt förblir i sitt nya tillstånd utan behov av någon pågående kraft, till skillnad från dagens standardminnechips, laget har hittat.

Det nya fyndet rapporteras idag i tidningen Naturmaterial , i ett papper av Geoffrey Beach, professor i materialvetenskap och teknik och meddirektör för MIT Materials Research Laboratory; doktorand Aik Jun Tan; och åtta andra på MIT och Brookhaven.

Snurra läkare

När kiselmikrochips närmar sig de grundläggande fysiska gränserna som kan begränsa deras förmåga att fortsätta öka sina förmågor samtidigt som deras energiförbrukning minskar, forskare har utforskat en mängd olika nya tekniker som kan komma runt dessa gränser. Ett av de lovande alternativen är ett tillvägagångssätt som kallas spintronics, som använder en egenskap hos elektroner som kallas spin, istället för sin elektriska laddning.

Eftersom spintronic -enheter kan behålla sina magnetiska egenskaper utan behov av konstant effekt, vilka kiselminnechips kräver, de behöver mycket mindre ström för att fungera. De genererar också mycket mindre värme - en annan stor begränsande faktor för dagens enheter.

Men spintronic -tekniken lider av sina egna begränsningar. En av de största saknade ingredienserna har varit ett sätt att enkelt och snabbt kontrollera de magnetiska egenskaperna hos ett material elektriskt, genom att applicera en spänning. Många forskargrupper runt om i världen har drivit den utmaningen.

Tidigare försök har åberopat elektronackumulering vid gränssnittet mellan en metallisk magnet och en isolator, med hjälp av en anordning som liknar en kondensator. Den elektriska laddningen kan förändra materialets magnetiska egenskaper, men bara med en mycket liten mängd, vilket gör det opraktiskt för användning i riktiga enheter. Det har också försökt att använda joner istället för elektroner för att ändra magnetiska egenskaper. Till exempel, syrejoner har använts för att oxidera ett tunt lager av magnetiskt material, orsakar extremt stora förändringar i magnetiska egenskaper. Dock, införandet och avlägsnandet av syrejoner får materialet att svälla och krympa, orsakar mekanisk skada som begränsar processen till bara några få repetitioner - vilket gör den i princip värdelös för beräkningsenheter.

Det nya fyndet visar en väg runt det, genom att använda vätejoner istället för de mycket större syrejoner som använts i tidigare försök. Eftersom vätejonerna lätt kan släppas in och ut, det nya systemet är mycket snabbare och ger andra betydande fördelar, säger forskarna.

Eftersom vätejonerna är så mycket mindre, de kan komma in och ut från den kristallina strukturen hos den spintroniska enheten, ändra dess magnetiska orientering varje gång, utan att skada materialet. Faktiskt, teamet har nu visat att processen inte ger någon nedbrytning av materialet efter mer än 2, 000 cykler. Och, till skillnad från syrejoner, väte kan lätt passera genom metallskikt, vilket gör att laget kan styra egenskaper hos lager djupt i en enhet som inte kunde styras på något annat sätt.

"När du pumpar väte mot magneten, magnetiseringen roterar, "Tan säger." Du kan faktiskt växla magnetiseringsriktningen med 90 grader genom att applicera en spänning - och det är helt reversibelt. "Eftersom orienteringen av magnetens poler är det som används för att lagra information, detta betyder att det är möjligt att enkelt skriva och radera data "bitar" i spintronic -enheter med denna effekt.

Strand, vars laboratorium upptäckte den ursprungliga processen för att kontrollera magnetism genom syrejoner för flera år sedan, säger att det första fyndet släppte ut omfattande forskning om ett nytt område som kallades "magnetisk jonik, "och nu har det här senaste fyndet" vänt hela sitt fält ".

Väsentligen, Beach förklarar, han och hans team försöker göra en magnetisk analog av en transistor, "som kan slås på och av flera gånger utan att försämra dess fysiska egenskaper.

Bara Lägg till vatten

Upptäckten kom till, till viss del, genom serendipity. Medan jag experimenterar med magnetiska material i skikt på jakt efter sätt att ändra deras magnetiska beteende, Tan fann att resultaten av hans experiment varierade kraftigt från dag till dag av skäl som inte var uppenbara. Så småningom, genom att undersöka alla förhållanden under de olika testerna, han insåg att den viktigaste skillnaden var luftfuktigheten i luften:Experimentet fungerade bättre på fuktiga dagar jämfört med torra. Anledningen, så småningom insåg han var att vattenmolekyler från luften delades upp i syre och väte på materialets laddade yta, och medan syret sprang ut i luften, vätet blev joniserat och trängde in i magnetenheten - och ändrade dess magnetism.

Enheten teamet har tagit fram består av en smörgås med flera tunna lager, inklusive ett lager kobolt där de magnetiska förändringarna äger rum, inklämd mellan lager av en metall, såsom palladium eller platina, och med ett överlägg av gadoliniumoxid, och sedan ett guldskikt för anslutning till den drivande elektriska spänningen.

Magnetismen växlas med bara en kort spänningstillämpning och stannar sedan kvar. Att vända den kräver ingen kraft alls, bara kortsluter enheten för att ansluta dess två sidor elektriskt, medan ett konventionellt minneskrets kräver konstant ström för att behålla sitt tillstånd. "Eftersom du bara applicerar en puls, strömförbrukningen kan gå ner mycket, "Säger stranden.

De nya enheterna, med sin låga strömförbrukning och höga omkopplingshastighet, kan så småningom vara särskilt användbart för enheter som mobil datorer, Beach säger, men arbetet är fortfarande i ett tidigt skede och kommer att kräva ytterligare utveckling.

"Jag kan se labbaserade prototyper inom några år eller mindre, "säger han. Att göra en full arbetsminnescell är" ganska komplex "och kan ta längre tid, han säger.