Under det senaste decenniet eller så, fysiker och ingenjörer har försökt identifiera nya material som kan möjliggöra utveckling av elektroniska enheter som är snabbare, mindre och mer robust. Detta har blivit allt viktigare, eftersom befintlig teknik är gjord av material som gradvis närmar sig sina fysiska gränser.

Antiferromagnetisk (AFM) spintronik är enheter eller komponenter för elektronik som kopplar en flödande laddningsström till den beställda centrifugeringen av specifika material. Inom fysiken, termen spin avser den inneboende vinkelmomentet som observerats i elektroner och andra partiklar.

Den framgångsrika utvecklingen av AFM spintronics kan ha mycket viktiga konsekvenser, eftersom det kan leda till skapandet av enheter eller komponenter som överträffar Moores lag, en princip som först introducerades av mikrochiptillverkaren Gordon Earle Moore. Moores lag säger i huvudsak att minnet, hastigheter och prestanda för datorer kan förväntas fördubblas vartannat år på grund av ökningen av antalet transistorer som ett mikrochip kan innehålla.

Medan nuvarande teknik når sina fysiska gränser, AFM spintronics kan avsevärt överträffa befintliga enheter i både hastighet och prestanda, sträcker sig långt bortom Moores lag. Trots deras fördelaktiga egenskaper, Att hitta material med de exakta egenskaperna som är nödvändiga för att tillverka AFM spintronics har hittills visat sig vara mycket utmanande.

Forskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory, UC Berkeley och National High Magnetic Field Laboratory i Tallahassee har nyligen identifierat ett nytt kvantmaterial (Fe _{1/3 + δ} NbS ₂ ) som kan användas för att tillverka AFM spintronic -enheter. I deras senaste tidningar, publicerad i Vetenskapliga framsteg och Naturfysik , de visade möjligheten att använda detta material för två AFM spintronics -applikationer.

"Arbetet publicerades i Vetenskapliga framsteg motiverades av vår tidigare publikation, som visade antiferromagnetisk omkoppling i de interkalerade övergångsmetalldikalkogenid (TMD) -baserade föreningarna för första gången, "James G. Analytis, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "I vår andra senaste studie, med i Naturfysik , vi visade att samma material har en enorm 'bytesförspänning' - en egenskap som kan användas för spinnventiler för att säkerställa att spinntransporten i spintronic -apparater rör sig i en riktning men inte en annan. "

Analytis och hans kollegor fann att ultralåga strömtätheter möjliggjorde mycket stabil elektrisk omkoppling i TMD, som har visat stort löfte för utvecklingen av ny teknik. Jämfört med andra kända omkopplingsbara antiferromagnetiska system, faktiskt, dessa material uppvisade ytterligare egenskaper såsom en enpulsmättnad och en signifikant lägre aktiveringsenergi (två storleksordningar lägre).

Forskarna var osäkra på varför dessa material uppvisade dessa extraordinära kopplingsegenskaper. En observation som de trodde skulle kunna hjälpa dem att lösa denna gåta var att materialen presenterade en ytterligare störd magnetisk fas, kallas spinnglas, som samexisterade med den antiferromagnetiska fasen.

"Vår pågående forskning visar att denna fas samexistens påverkas starkt av järninterkalationsvärdet, och följaktligen, det bestämmer hur detta system kommer att reagera på injektionen av elektriska DC -pulser, "Eran Maniv, projektets huvudförfattare, berättade för Phys.org. "Våra nya data visade att omkopplingen uttalas endast när de två faserna samexisterar och undertrycks avsevärt när spinnglasfasen är frånvarande."

Huvudsyftet med forskarnas senaste studier var att förstå hur samexistensen mellan spinnglaset och de antiferromagnetiska faserna i övergångsmetalldikalkogenider kan påverka deras elektriska omkopplingsförmåga. Mer specifikt, Analytis, Maniv och deras kollegor hoppades kunna avslöja fysiken bakom mekanismen som förbättrar antiferromagnetisk omkoppling i dessa material.

Ett snurrglas är ett magnetiskt system som uppvisar slumpmässigt fördelade och motstridiga magnetiska interaktioner. Det kan ungefär beskrivas som en störd magnet. Spinnglaset tillstånd, som forskarna observerade i övergångsmetalldikalkogenider, finns inte i befintliga omkopplingsbara antiferromagnetiska system.

"Till skillnad från en ferromagnet eller en antiferromagnet där snurren pekar i specifika riktningar, ett snurrglas 'spinnpunkter, i genomsnitt, åt alla håll, "Sade Analytis." Men snurren på ett snurrglas är fortfarande limmade på varandra, precis som snurr på en ferromagnet eller en AFM. Detta får dem att röra sig tillsammans, möjliggör så kallad kollektiv dynamik. Ursprunget till den nya och förbättrade kopplingsmekanismen som vi observerade ligger på den kollektiva dynamiken hos ett snurrglas. "

Maniv, Analytis och deras kollegor fann att när en elektrisk strömpuls injiceras i ett snurrglas, dess snurr roterar kollektivt. Detta fenomen uppstår på grund av den glasartade fasens störda natur, vilket gör att de frysta snurrarna kan rotera i samklang utan några extra energikostnader.

Forskarna observerade att spinnglasets kollektiva rörelse kan ge spinnmoment på den samexisterande antiferromagnetiska fasen, som slutligen roterar snurr på en AFM, så att deras domäner övervägande pekar i en riktning. Snurrens kollektiva rotation är nyckelmekanismen bakom den förbättrade omkopplingen som uppvisas av TMD:er. Intressant, forskarna fann att interaktionen mellan spinnglaset och AFM -faserna också ger upphov till den jätteutbytesförskjutningen som rapporterades i deras senaste tidning publicerad i Nature Physics.

"Denna antiferromagnetiska omkoppling, visar enpulsroterade domäner med hög effekt, har aldrig observerats, tills nu, "Maniv sa." Möjligheten att kontrollera och avsevärt förbättra den mycket önskvärda antiferromagnetiska omkopplingen är ett genombrott inom spintronic-relaterad teknik. Dessutom, att avslöja denna effekt på TMD:s rika materiallekplats kommer att möjliggöra framtida rumstemperaturstudier och förbättrade egenskaper. "

Anmärkningsvärt, det nya magnetiska och omkopplingsbara systemet som identifierats av Analytis och hans kollegor har ultrasnabb dynamik, är robust mot magnetfält och aktiveras även vid lägre strömtätheter än något känt material. Detta systems svar på elektriska pulser möjliggör högeffektiv enkelpulsaktivering och omkopplingstillstånd som är mycket mer stabila och kraftfulla än de som observerats i andra kända antiferromagnetiska material.

"En av våra mest slående observationer var den möjliga närvaron av de teoretiskt förutsägda" Halperin-Saslow (HS) -lägena (dvs. spinnvågor i ett snurrglas), "Maniv sa." Dessa spinnvågor förutses bildas i vissa spinnglasfaser och är direkt relaterade till den globala kollektiva rörelsen som möjliggörs av elektriska strömpulser. "

HS -lägen är hydrodynamiska lägen som fysikerna Halperin och Saslow förutspådde skulle existera i spinnglasögon. Medan Analytis och hans kollegor inte observerade dessa sätt direkt, de hittade ledtrådar som kunde bana väg för deras experimentella förverkligande. Detta är ett särskilt intressant fynd, som forskare har försökt att direkt observera dessa sätt i decennier.

"Vi tänker nu fokusera på att avslöja spinnglaset - spinnvågslägen (dvs. HS -lägen), "Analytis sa." En av mina medförfattare till arbetet, Shannon Haley, leder nu nya experiment för att studera icke-lokal växling i fokuserade jonstrålfabrikat. Dessutom, vi tänker studera olika interkalerade TMD som kan ge liknande effekter men vid olika temperaturer, så att vi får tillgång till denna nya mekanism vid rumstemperatur. "

© 2021 Science X Network