Det lovande fältet spintronics försöker manipulera elektronspinn för att skapa en ny sort av små och lågeffekta elektroniska enheter. En nyligen genomförd studie använde Argonnes Advanced Photon Source för att föra den utbredda användningen av spintronik närmare verkligheten.

När datorer och elektroniska enheter blir mindre och mindre, ingenjörer utvecklar ny teknik för att göra det möjligt för enheter att krympa ytterligare samtidigt som prestandan förbättras. En lovande ny teknik är spintronics, som har potential att göra mindre och snabbare enheter som behåller sin information när strömmen är avstängd. Denna framväxande teknologi kan revolutionera designen av elektroniska enheter, men det har fortfarande en lång väg kvar innan tekniken blir mainstream.

För att hålla jämna steg med ökande datagenerering, datalagringskapaciteten har ökat medan elektroniska enheter fortsätter att bli mindre och kraftfullare. Dock, denna ökning av datagenerering och lagring har lett till en tillhörande ökning av energiförbrukningen. Datacenter använder en betydande mängd el för sina servrar och kylsystem, och enbart dessa centra står för mer än 1 % av den globala energianvändningen. Spintronics har potential att minska denna energiförbrukning samtidigt som ingenjörer kan fortsätta att designa mindre och snabbare datorer och andra elektroniska enheter.

Istället för att använda elektronladdning för att lagra information som 1:or och 0:or, spintronics använder elektronspin för att koda data. Spinn är en egenskap hos elektroner, precis som laddning. Elektroner kan ha ett spinntillstånd som är antingen uppåt eller nedåt, och i vissa speciella material kan detta spinntillstånd röra sig över materialet när det utsätts för elektricitet. Möjligheten för spinntillståndet att transporteras är det som gör att spinn kan användas för datalagring. Denna metod för centrifugering för datalagring använder mycket mindre energi eftersom en centrifugeringsström möter mindre av det motstånd som kan leda till överhettning, och informationen försvinner inte med strömförlust.

Forskare som använder Advanced Photon Source (APS), en US Department of Energy Office of Science User Facility vid DOE:s Argonne National Laboratory, har studerat sätt att manipulera elektronsnurr och utvecklat nya material för spintronik. Nyligen, en forskargrupp ledd av Chang-Beom Eom, professor i materialvetenskap och teknik vid University of Wisconsin-Madison, publicerade en studie i tidskriften Naturkommunikation om ett nytt material som har tre gånger så stor lagringstäthet och som använder mycket mindre ström än andra spintronics-enheter.

Det finns inte många av dessa typer av material, speciellt de som fungerar i rumstemperatur som den här. Om Eoms material kan fulländas, det skulle kunna bidra till att skapa mer effektiva elektroniska enheter med mindre benägenhet att överhettas. Detta är särskilt viktigt för att främja utvecklingen av lågeffektsdatorer och snabbt magnetiskt minne.

Den nya strukturen som Eom designade är baserad på en ovanlig klass av material som kallas antiperovskiter som han använder för att manipulera flödet av spinninformation utan att flytta elektronernas laddningar genom materialet. För att ta reda på om det fungerade, och för att bättre förstå materialets struktur, Eoms team använde röntgendiffraktion vid APS för att se vid vilken tidpunkt materialets struktur förändrades, som indikerar uppkomsten av det nödvändiga arrangemanget av elektroniska snurr.

Eom kom till APS på grund av kraften i 6-ID-B strållinjen samt för expertisen hos forskarna som arbetar där.

"På en veckas tid på APS kan vi göra en månads arbete, " han sa.

APS:s strållinjeforskare ger expertråd till forskare som vill använda anläggningens resurser. Innan studien, APS strållinjeforskare Phil Ryan och Jong-Woo Kim tillbringade tid med Eom, hjälpte honom att avgöra när han hade rätt struktur när han odlade dessa nya material i sitt labb.

"Om de har en vetenskaplig fråga, vi diskuterar det och designar tillsammans ett experiment på APS för att svara på frågan, sa Kim, en fysiker på APS som samarbetar med Eoms forskargrupp. "Vi förstår våra tekniker och förmågor mycket väl, så att vi kan bidra till utformningen av experimentet, eller till och med forma konversationen."

För denna studie, Eom använde APS för att titta på materialets gitterstruktur på atomnivå när det svalnade mot rumstemperatur. Med hjälp av röntgendiffraktion, de mätte gitterparametern – i princip avståndet mellan atomerna – och extraherade separationen av atomerna när temperaturen på materialet förändrades.

"Detta material utvecklar en magnetisk ordning lite över rumstemperatur, sa Ryan, en annan fysiker på APS som arbetade med Eom på detta projekt liksom många andra genom åren. "När elektronsnurren beställer sig själva, atomerna trycks något bort från varandra. Så även om vi inte direkt kunde upptäcka strukturen med röntgenstrålar, vi övervakade och mätte denna strukturella förändring med temperaturen vid APS för att bekräfta uppkomsten av denna magnetiska ordning."

Detta var en av de tre tekniker som användes i studien för att mäta arrangemanget av elektroniska snurr, och denna data, i samband med andra mätningar, hjälpte till att stelna och cementera fyndets giltighet.

"Möjligheten att manipulera arrangemanget av elektroniska snurr, såväl som deras rörelse genom material, har enorma möjligheter till mer energieffektiva enheter, " sa Eom. "Detta är det första steget i att visa hur man gör det."