Forskare vid University of Twente och Beijing Normal University har nyligen genomfört en studie som undersöker parametern som kallas spin memory memory (SML) för en mängd olika gränssnitt, med hjälp av en kombination av teoretiska och beräkningsmetoder. Deras papper, publicerad i Fysiska granskningsbrev , erbjuder värdefulla nya insikter som kan informera om utformningen av mer effektiva gränssnitt.

"Den heliga gralen inom vårt studieområde är ett nytt koncept inom magnetiskt minneslagring som skulle vara 100% elektroniskt; dvs potentiellt snabbare, tätare och mer pålitlig än dagens hårddiskar (HDD) som utgör ryggraden i internet (t.ex. datagårdar) och som är baserade på en mekaniskt snurrande magnetisk skiva där data nås av ett läs-/skrivhuvud som bara svävar nanometer ovanför den snabbt snurrande hårddisken, "Paul Kelly, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Det nya konceptet är baserat på något som kallas spin Hall -effekten (SHE), som teoretiskt förutspåddes för 50 år sedan, men observerades först i halvledare 2004 och två år senare i metaller. "

Förutom att ha en avgift, elektroner har ett snurr, vilket innebär att de kan fungera som "snurror". I samband med detta snurr är ett magnetiskt ögonblick. SHE är en direkt följd av den relativistiska effekten som kallas spin-orbit coupling (SOC), som "parar" hur elektroner snurrar (medurs eller moturs) med hur de rör sig runt atomer.

Som ett resultat av denna effekt, när en laddningsström passerar genom en platta av en tungmetall som platina, det exciterar en spinnström i rät vinkel mot laddströmmen. Om platina är i kontakt med ett magnetiskt material som järn, nickel eller permalloy, en FeNi -legering, 'spinnströmmen' drivs in i detta angränsande magnetiska material.

"Under rätt omständigheter, denna spinnström kan omorientera riktningen i vilket magnetmomentet pekar:upp är '1', ned är '0'; och vi har grunden för en ny typ av magnetminne, "Förklarade Kelly." Det är här vi kommer in. "

När Kelly fortsätter att förklara, centrifugeringsströmmen försämras vanligtvis när den passerar från Pt -tråden till det magnetiska materialet, vilket ofta sker vid gränssnitt mellan två olika material. Denna försämring i nuvarande, kallad 'spin memory loss' (SML), har varit i fokus för många studier, inklusive den som utfördes av Kellys team, och för närvarande är väldigt lite känt om det.

"Det som hittills är känt om SML har hämtats från experiment med låg temperatur, 99% av räntan är vad som händer vid rumstemperatur, temperaturen av betydelse för många applikationer, "Kelly sa." Vår forskning har utformats för att kunna studera egenskaper som detta. "

Huvudsyftet bakom studien som genomfördes av Kelly och hans kollegor var att studera SML och dess beteende vid olika gränssnitt och vid ändliga temperaturer (där temperaturinducerade atomvibrationer och fluktuationer i magnetiska ögonblick är oundvikliga). Forskarna fokuserade på fyra kombinationer av material som vanligtvis används när man försöker utveckla ett magnetiskt minneslager som är helt elektroniskt.

Under de senaste 20 åren har Kelly och hans kollegor har utvecklat datorkoder som kan användas för att studera transporter av elektroner och snurr (dvs. spinntransport) i komplexa material. Dessa koder är baserade på att lösa "Schrödinger -ekvationen" för kvantmekanik i en form som kallas "spridningsteori" vilket innebär att elektronernas beteende är i fråga om materievågor.

"Två viktiga steg i utvecklingen av dessa koder var införandet av relativistiska effekter, nämligen SOC och temperatur i form av temperaturinducerad gitter- och spinnstörning, "Sa Kelly." När temperaturen på ett material höjs, de atomer som materialet består av vibrerar mer och mer; detta kallas gitterstörning. Om materialet är ferromagnetiskt, då roterar de magnetiska momenten på atomerna bort från deras original, enhetlig orientering. "

Som ett sista steg i utvecklingen av kod för att studera spinntransport genom gränssnitt, Kelly och hans kollegor använde resultaten av sina kvantmekaniska "spridnings" -beräkningar för att beräkna laddnings- och spinnströmmen som observerats av experimenter. Denna process tillät dem slutligen att studera SHE vid gränssnitt, liksom nedbrytningen av spinnströmmar när de passerar från ett material till ett annat (dvs. SML).

"Den viktigaste skillnaden mellan vår studie och de som utförs av andra forskargrupper är att vi för länge sedan identifierade gränssnitt som ett viktigt mål och fokuserade vår kodutveckling på att kunna studera gränssnitt mellan material som har mycket olika storlekar (dvs. gitterkonstanter). "Kelly sa." Detta innebar att man i stor utsträckning använde "glesa matrismetoder" för att kunna hantera de enorma numeriska matriser som följer av att beskriva gränssnitt realistiskt. "

Kelly och hans kollegor var de första som studerade spinntransport som en funktion av temperatur genom realistiska gränssnitt. Förutom att införa numeriska värden för parametrar som beskriver denna transport, de samlade värdefull inblick i hur dessa parametrar varierar mellan olika gränssnitt, liksom deras beroende av vilken typ av störning de drabbas av.

Särskilt, forskarna observerade att icke -magnetiska gränssnitt har ett minimalt temperaturberoende, medan gränssnitt som innehåller ferromagneter är starkt beroende av temperaturen. De fann också att SML var större för vissa gränssnitt, särskilt när passagen mellan de olika materialen är mer abrupt (t.ex. Co/Pt -gränssnitt).

Till sist, Kelly och hans kollegor fann att SML kan förbättras avsevärt genom gittermatchning och gränssnittslegering. I framtiden, observationerna och insikterna som de samlat in kommer att vägleda utformningen av mer effektiva gränssnitt med olika möjliga applikationer.

"Som ett nästa steg, vi vill direkt studera processen där en spinnström som genereras av SHE i en tungmetall injiceras i olika andra material, icke -magnetiska såväl som magnetiska, för att få närmare kontakt med magnetminne och tillhörande nanodatorer, "Sa Kelly." Vi kommer också att studera egenskaperna hos de nya tvådimensionella van der Waals ferromagnetiska materialen, som kan ha distinkta laddnings- och centrifugeringsegenskaper och vars 'gränssnitt' ska spela en nyckelroll för att bestämma deras magnetiska egenskaper. "

© 2020 Science X Network