Spintronik kanske inte är den sortens ord som dyker upp i vardagliga diskussioner, men det har revolutionerat datortekniken i flera år. Det är grenen av fysiken som involverar att manipulera spinn av ett flöde av elektroner, som först nådde konsumenterna i slutet av 1990-talet i form av magnetiska datorhårddiskar med flera hundra gånger så stor lagringskapacitet som sina föregångare.

Dessa och andra elektroniska enheter har sedan dess förfinats för att göra datorer många gånger kraftfullare igen, för att inte tala om mycket svalare och mer energisnål – vilket möjliggör allt från MP3-spelare till dagens smartphones. Intel och Google började avslöja kvantprocessorer förra året, och Samsung och Everspin lanserade MRAM-chips (magnetic random access memory) för några månader sedan. Denna nya teknik förväntas avsevärt förbättra datorprestandan – med en uppskattning, till exempel, den potentiella minskningen av effektbehovet kan vara över 99 %.

Ändå, alla dessa framsteg har arbetat under en stor begränsning:spinnmanipulationen är begränsad till ett enda ultratunt lager av magnetiskt material. Tio av dessa lager är vanligtvis staplade i en "sandwich" struktur, som interagerar genom komplexa gränssnitt och sammankopplingar, men deras funktionalitet är i grunden 2D till sin natur.

Branschledare som Stuart Parkin, som skapade IBM:s ursprungliga spintronics-drivna datorhårddisk, Deskstar 16GP Titan, har sagt i flera år att en av de största utmaningarna inom magnetisk datoranvändning är att byta till en mycket mer flexibel och kapabel 3D-version.

Detta skulle se information överföras, lagras och bearbetas över vilken punkt som helst i den tredimensionella stapeln av magnetiska lager. De senaste banbrytande framstegen börjar föra detta paradigmskifte närmare, men vi står fortfarande inför stora utmaningar att nå samma grad av kontroll som vi har i två dimensioner.

I en ny artikel ledd av universiteten i Glasgow och Cambridge, i samarbete med forskare vid universitetet i Hamburg, Technical University of Eindhoven och Aalto University School of Science, vi har tagit ett betydande steg mot att nå det målet.

Snurr och laddningar

Traditionell elektronik bygger på det faktum att elektroner har elektriska laddningar. I en grundläggande dator, chips och andra enheter överför information genom att skicka och ta emot små elektriska pulser. De registrerar en "ett" för en puls och en "nolla" för ingen puls, och genom att räkna dessa över miljontals upprepningar, det blir grunden för ett instruktioners språk.

Traditionella magnetiska hårddiskar förlitar sig också på egenskaper associerade med elektriska laddningar, men de arbetar på en annan princip, med mycket små områden på en platt magnetisk skiva som registrerar nollor och ettor via dess två möjliga magnetiska orienteringar. Magnetiska enheter har den stora fördelen att data fortfarande finns kvar även när strömmen är avstängd, även om informationen registreras och hämtas mycket långsammare än att använda transistorerna som vi hittar i datorkretsar.

Spintronics är annorlunda:den utnyttjar både laddningen och den inneboende magnetismen hos elektroner – även känd som dess spin. Skillnaden mellan spinn och laddning liknas ibland vid hur jorden kretsar runt solen men samtidigt snurrar runt sin axel. Men medan elektroner alltid är negativt laddade, de kan snurra "upp" eller "ner".

Det upptäcktes i slutet av 1980-talet att om en elektrisk ström leddes genom en anordning bildad av ett icke-magnetiskt ark inklämt mellan två magnetiska ark, motståndet hos denna anordning mot elektronflödet skulle förändras dramatiskt beroende på orienteringen av magneterna inom de två magnetiska arken.

Denna effekt utnyttjades lätt på hårddiskar, med dessa spintroniska system som fungerar som mycket känsliga sensorer som kunde läsa många fler nollor och ettor av magnetisk information inom samma område än tidigare hårddiskar – och därmed omvandla lagringskapaciteten. Känd som jättemagnetoresistans, detta gav senare Nobelpriset i fysik för Albert Fert och Peter Grunberg, de två forskarna som upptäckte det samtidigt.

Kiral spintronik

Sedan spintronikens födelse, det har gjorts många viktiga framsteg, inklusive några nya spännande sådana i ett område som kallas kiral spintronik. Medan vi vanligtvis tänker på två magneter som har en "nord" och "söder" som roterar mot eller bort från varandra längs en 180º linje - titta på kompassen mot slutet av den här videon till exempel - under speciella förhållanden, små magneter på atomnivå presenterar också kirala spinninteraktioner. Detta betyder att närliggande magneter har en preferens att orientera sig i vinklar på 90º.

Förekomsten av dessa interaktioner är en nyckelingrediens för att skapa och manipulera pseudopartiklar som kallas magnetiska skyrmioner, som har topologiska egenskaper som gör det möjligt för dem att utföra datortillämpningar mer effektivt, med enorm potential att ytterligare förbättra datalagringen.

Tills nu, dock, kirala spinninteraktioner hade endast observerats och utnyttjats i 2-D spintronik. I vår nya tidning, vi visar för första gången att denna växelverkan också kan skapas mellan magneter placerade vid två angränsande magnetiska lager åtskilda av ett ultratunt omagnetiskt metallskikt.

För detta, vi skapade en enhet med totalt åtta lager med en teknik som kallas sputtering för att avsätta tunna filmer i nanoskala. Vi var tvungna att noggrant ställa in lagrens gränssnitt för att balansera andra magnetiska interaktioner, och vi studerade systemets beteende under magnetiska fält vid rumstemperatur med hjälp av lasrar. Hur enheten betedde sig bekräftades av kompletterande magnetiska simuleringar utförda av vår samarbetspartner vid universitetet i Hamburg.

Denna upptäckt öppnar nya spännande vägar för att utnyttja ytterligare 3D-spintroniska effekter, med kirala spinninteraktioner som spelar en avgörande roll för att skapa mer kompakta och effektiva sätt att lagra och flytta magnetisk data längs hela 3D-utrymmet. Framtida arbete kommer att fokusera på att hitta sätt att öka styrkan i denna interaktion och utöka utbudet av enheter där effekten finns. Vi förväntar oss att vårt arbete kommer att väcka stort intresse inom spintronic-gemenskapen och stimulera industrin att fortsätta arbeta med magnetiska datorenheter baserade på dessa radikalt nya koncept.

Den första effekten av spintronics på datormarknaden var extremt snabb – det tog bara åtta år från upptäckten av gigantisk magnetresistens till lanseringen av IBM:s Deskstar 16GP Titan 1997. Språnget till 3D behöver fortfarande övervinna flera hinder, från att exakt tillverka de nödvändiga enheterna till att utnyttja magnetiska interaktioner i okonventionella datorarkitekturer. Vår senaste upptäckt tar oss ett steg närmare att uppnå detta mycket utmanande men spännande mål.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.