NUS-fysiker har demonstrerat kontrollen av magnetism i en magnetisk halvledare via elektriska medel, banar väg för nya spintroniska enheter.

Halvledare är hjärtat i informationsbehandlingsteknologier. I form av en transistor, halvledare fungerar som en omkopplare för elektrisk laddning, möjliggör växling mellan binära tillstånd noll och ett. Magnetiska material, å andra sidan, är en viktig komponent för informationslagringsenheter. De utnyttjar elektronernas spinnfrihet för att uppnå minnesfunktioner. Magnetiska halvledare är en unik klass av material som tillåter kontroll av både den elektriska laddningen och spinn, potentiellt möjliggör informationsbearbetning och minnesoperationer i en enda plattform. Den viktigaste utmaningen är att kontrollera elektronsnurrarna, eller magnetisering, använda elektriska fält, på liknande sätt styr en transistor elektrisk laddning. Dock, magnetism är vanligtvis svagt beroende av elektriska fält i magnetiska halvledare, och effekten är ofta begränsad till kryogena temperaturer.

En forskargrupp ledd av professor Goki EDA från institutionen för fysik och institutionen för kemi, och Center for Advanced 2-D Materials, NUS, i samarbete med Prof Hidekazu KUREBAYASHI från London Centre for Nanotechnology, University College London, upptäckte att magnetismen hos en magnetisk halvledare, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , visar exceptionellt stark respons på applicerade elektriska fält. Med elektriska fält applicerade, materialet visade sig uppvisa ferromagnetism (ett tillstånd i vilket elektronsnurr spontant justeras) vid temperaturer upp till 200 K (-73°C). Vid sådana temperaturer, ferromagnetisk ordning saknas normalt i detta material.

Forskarna applicerade stora elektriska fält på detta material genom att belägga det med ett lager av polymergel innehållande lösta joner. När en spänning appliceras på polymergelen, ett lager av joner bildas på materialytan, inducerar starka elektriska fält och en hög densitet av mobila elektroner i materialet. I frånvaro av dessa mobila elektroner (dvs när den pålagda spänningen är noll), ferromagnetism förekommer endast under 61 K (-212°C). Denna kritiska temperatur, under vilken ferromagnetisk ordning uppstår, är känd som Curie-temperaturen. Över denna temperatur, spinnorienteringarna är randomiserade (paramagnetiskt tillstånd), gör magnetiska minnesoperationer omöjliga. När en elektrisk potential på några volt appliceras på polymergelen, forskarna fann att Curie-temperaturen ökade med mer än 100°C. En sådan dramatisk ökning av Curie-temperaturen utlöst av elektriska fält är ovanlig i en magnetisk halvledare. Forskarna drar slutsatsen att de mobila elektronerna som induceras av jonerna är ansvariga för den observerade magnetiska ordningen vid den högre temperaturen.

Huvudförfattaren Dr. Ivan VERZHBITSKIY, en forskare i laget sa, "De mobila elektronerna som finns i materialet hjälper till att transportera spinninformationen från en atomplats till en annan och etablera magnetisk ordning, vilket resulterar i en högre Curie-temperatur."

Driftstemperaturen för dessa enheter är fortfarande långt under rumstemperatur, vilket gör implementeringen av dem i nuvarande teknik opraktisk. Dock, teamet strävar efter att övervinna denna begränsning i sin framtida forskning.

"Vi tror att detta unika fenomen som vi observerade inte är begränsat till just denna förening och kan förväntas i andra relaterade materialsystem. Med noggrant urval av material, det kommer att vara möjligt att utveckla enheter som fungerar vid rumstemperatur, som kan leda till banbrytande ny teknik, tillade prof Eda.