Markerar en stor framgång inom spintronikområdet, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och Yale University har visat förmågan att kontrollera spindynamik i magnetiska material genom att ändra deras tjocklek. Studien, publiceras idag i Naturmaterial , kan leda till mindre, mer energieffektiva elektroniska enheter.

"Istället för att söka efter olika material som delar rätt frekvenser, vi kan nu ändra tjockleken på ett enda material – järn, i det här fallet – för att hitta ett magnetiskt medium som möjliggör överföring av information över en enhet, " sa Brookhaven-fysikern och huvudforskaren Valentina Bisogni.

Traditionell elektronik förlitar sig på en grundläggande egenskap hos elektroner – laddning – för att överföra information. Men när elektrisk ström flödar genom en enhet, det leder bort värme, begränsa hur små enheter kan utformas utan risk för överhettning och prestanda. För att möta efterfrågan på mindre och mer avancerad elektronik, forskare undersöker ett alternativt tillvägagångssätt baserat på en annan grundläggande egenskap hos elektroner - spinn. I likhet med laddning, snurr kan röra sig genom ett material som en ström. Skillnaden är att en laddningsström består av elektroner som fysiskt rör sig, medan i en snurr "ström, "elektronerna rör sig inte, snarare de lämnar över sin snurrriktning till varandra som att skicka en batong i ett stafettlopp – ett som har en lång kedja av "löpare" som faktiskt aldrig springer.

"Det finns alltid ett behov av mer minne eller lagringskapacitet i elektroniska enheter, och värmeavledning hindrar oss för närvarande från att skapa enheter i mindre skala, ", sa Bisogni. "Att förlita sig på spinn istället för laddning minskar avsevärt överhettning i enheter, så målet med spintronics är att realisera samma enhetsfunktioner, eller bättre, som redan är kända inom traditionell elektronik - utan nackdelarna."

Hittills, spindynamik har vanligtvis mätts med användning av neutronspridningstekniker; dock, denna metod kräver att prover studeras i bulk (flera gram prov på en gång). I verkliga applikationer, materialet måste skalas ner till mycket mindre storlekar.

"Det är mycket svårt att förutsäga hur vissa material kommer att prestera vid olika längdskalor, ", sa Bisogni. "Med tanke på att många elektroniska enheter består av en mycket liten mängd material, det är viktigt att studera hur egenskaperna i en tunn film jämförs med bulken."

För att ta itu med denna vetenskapliga fråga, forskargruppen använde en teknik som kallas resonant oelastisk röntgenspridning (RIXS) för att studera tunna filmer av järn så tunna som en nanometer. Även om RIXS är väletablerat inom det vetenskapliga området, denna studie är bara ett av ett fåtal exempel där forskare har använt denna teknik för att studera spinndynamik i ett så tunt material. Prestationen möjliggjordes av de avancerade funktionerna hos Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) strållinjen vid National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en DOE Office of Science User Facility vid Brookhaven National Laboratory.

"Vi kunde utföra dessa mätningar genom att kombinera den ultralätta röntgenkällan vid NSLS-II med den oöverträffade energiopplösningen och spektrometern vid SIX-strållinjen, sade Jonathan Pelliciari, huvudförfattare till studien och en vetenskapsman vid SIX.

SIX beamline är utrustad med en 50 fot lång spektrometerarm, inrymt i egen byggnad i anslutning till NSLS-II:s försöksplan. så här länge, rörlig arm gör det möjligt för SIX att få en extremt hög energiopplösning och avslöja elektronernas kollektiva rörelse och deras snurr i ett material.

Först studerade järn i bulk, forskargruppen bekräftade resultat från tidigare neutronspridningstekniker. Sedan, när de rörde sig mot tunnare material, de observerade inte bara framgångsrikt spindynamik på atomär skala, men också upptäckt tjocklek kan fungera som en "ratt" för att finjustera och kontrollera spindynamiken.

"Det var spännande att se hur järn bevarade sina ferromagnetiska egenskaper från massan till bara några monoskikt, sade Bisogni, ledande strållinjeforskare vid SIX. "Med järn som ett så elementärt och enkelt material, vi anser att detta är ett riktmärke för att studera utvecklingen av egenskaper som en funktion av tjocklek med RIXS."

Pelliciari lade till, "Detta arbete är resultatet av en stark synergi mellan anläggningar i världsklass. Utöver experimentet på hög nivå och karaktäriseringsstudien som gjordes vid NSLS-II, denna forskning skulle inte ha varit möjlig utan expertis och toppmoderna syntesmöjligheter från våra kollegor vid Yale University."

"Eftersom Yale ligger bara två timmar bort från NSLS-II, Jag kunde delta fullt ut i experimentet, sa Sangjae Lee, en doktorand i Charles Ahns labb vid Yale University. Lee och Ahn är medförfattare till studien. "Det här experimentet var en inspirerande möjlighet att utföra praktiska synkrotronmätningar med vetenskapsmän i världsklass vid NSLS-II."

Forskare vid Brookhavens avdelning för fysik och materialvetenskap för kondenserad materia gav också teoristöd för den bästa tolkningen av experimentdata.

Forskargruppen på SIX kommer att fortsätta använda RIXS för att observera materialegenskaper relaterade till spintronik. Deras slutmål är att utveckla en "på eller av-knapp" för att kontrollera spindynamiken i enheter och förstå den underliggande mikroskopiska mekanismen.