Ett team av forskare från Massachusetts Institute of Technology (MIT) och US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har bestämt hur man använder vätejoner, "pumpas" från vatten i luften vid rumstemperatur, att elektriskt styra magnetism i ett mycket tunt prov av ett magnetiskt material. Detta tillvägagångssätt för att manipulera magnetiska egenskaper kan påskynda framsteg inom datoranvändning, sensorer, och andra tekniker.

Forskningen, beskrivs i den 12 november, 2018, onlineupplaga av Naturmaterial , framfördes delvis på Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility. Måtten, tagen vid NSLS-II:s Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) strållinje, var kritiska för att avslöja den inblandade mikroskopiska mekanismen, i synnerhet vätejonernas närvaro i provet och deras roll i förändringarna av provets magnetiska struktur.

Mot mainstream spintronics

Bland de många möjliga tillämpningarna av denna forskning är dess potential att bli en ny plattform för det växande området spintronics, enheter som inte bara är baserade på elektronisk laddning utan även elektroniskt spinn, den inbyggda egenskapen hos en elektron som gör att den fungerar som en liten magnet.

Till skillnad från vanlig elektronik, som förlitar sig på komplementär metalloxidhalvledarteknik (CMOS) (används för att göra var och en av miljarderna transistorer i ett mikrochip), spintroniska enheter är byggda på magnetiska material, som innehåller magnetiska atomer som järn eller mangan. Spintronics-enheter kan behålla sina magnetiska egenskaper utan konstant tillförsel av ström, till skillnad från vanliga mikrochips, och, eftersom de genererar betydligt mindre värme, är mer energieffektiva.

"När CMOS-tekniker närmar sig slutet av sin färdplan, spin-baserade enheter eftersträvas i stor utsträckning för eran bortom CMOS, " sa studiens ledande forskare, MIT:s Geoffrey Beach, en professor i materialvetenskap och ingenjörskonst och meddirektör för MIT Materials Research Laboratory. "Ett av kraven för att föra in spintronics i mainstream är ett effektivt sätt att elektriskt styra magnetism. I huvudsak, vi försöker göra en magnetisk analog av en transistor."

Ett tillvägagångssätt för att uppnå denna kontroll är att sätta in joner i strukturen som kan röra sig mellan lagren och modulera dess elektromagnetiska beteende. Detta kallas magneto-jonisk omkoppling. Forskare har redan gett några lovande resultat, men de typer av joner som användes i tidigare undersökningar orsakade fler problem än de löste. I den här studien, teamet kunde åtgärda några av dessa problem med hjälp av vätejoner (H+), som är relativt ofarliga och även de minsta möjliga joner, vilket gör dem idealiska för att inducera snabba elektriska fält-drivna förändringar i solid state-strukturer.

"Magnetojonisk omkoppling är en viktig väg mot att elektriskt manipulera magnetism med låg effekt, " sa den ledande Brookhaven-forskaren Wen Hu, en strållinjeforskare vid CSX strållinje. "Migration av vätejoner, styrs av elektriska spänningar, spelar en nyckelroll i den här forskningen och kan potentiellt leda till nya spintroniska applikationer."

Röntgenstrålar bekräftar protonpumpen

Forskarna visade användningen av vätejoner för reversibel magneto-jonisk omkoppling i en skiktad struktur bestående av en platinabas, kobolt, palladium, gadoliniumoxid, och en guldkontakt för att toppa det. Palladium (Pd) är välkänt för sin förmåga att lagra väte i "vinkarna" av dess atomgitter. Placera en spänning över provet, och växla mellan positiv och negativ spänning, kan pumpa väte in och ut ur Pd-skiktet, växla magnetismen fram och tillbaka från utanför planet till i planet. Detta är första gången som forskare har visat reversibel "hydrering" av en tungmetall.

För att verifiera att vätet infördes i Pd-skiktet, gruppen utförde röntgenabsorptionsspektroskopi (XAS) vid CSX-strållinjen. CSX erbjuder forskare toppmoderna verktyg för mjuk röntgenspridning och bildbehandling, och designades för att studera den elektroniska strukturen och beteendet hos kompositmaterial. Med XAS, forskare kan bestämma den lokala elektroniska strukturen kring specifika element i deras prov – även detektera mycket små förändringar – på grund av röntgenstrålningens inställbara natur.

"Vi utförde XAS-mätningar med en mycket liten röntgenstråle (ungefär 100 mikron) för att rikta in oss på den aktiva delen av den konstruerade strukturen. Vi observerade en tydlig förskjutning i Pd-spektrumet när vi ändrade spänningen som applicerades på provet, vilket var ett tecken på omvandlingen av Pd till PdH, sa Claudio Mazzoli, ledande strållinjeforskare vid CSX strållinje. "Dessa mätningar gav direkta bevis på den mikroskopiska mekanismen som händer djupt inuti provet. vi vet nu att införandet av väte i enheten är förklaringen till förändringarna i provets magnetiska egenskaper som detekterats av laboratoriemätningar."

"Detta är en väldigt ny och unik metod, och det öppnar upp ett helt nytt sätt att modulera magnetfält i solid state-enheter, potentiellt påverka spintronic-tillämpningar, " sa Hu.