Samhällets ökande användning av elektroniska enheter motiverar sökandet efter nya och bättre datalagringstekniker. Magnetiska lagringsenheter, såsom hårddiskar, har varit grundpelarna för datalagring under de senaste decennierna. Dessa enheter, som använder ferromagnetisk bitorientering för att lagra data, närmar sig dock snabbt sina fysiska gränser. Att ersätta ferromagneter med antiferromagneter, ferromagneternas magnetiska kusin, kan hantera denna begränsning, men att kontrollera den magnetiska orienteringen av antiferromagnetiska bitar är en utmaning. För sin Ph.D. forskning studerade Casper Schippers flera aspekter av olika antiferromagnetiska material för att fastställa deras lämplighet för framtida datalagringstillämpningar.

I magnetiska lagringsenheter lagras data med hjälp av orienteringen av de magnetiska momenten hos en magnetisk bit, som ofta är gjorda av ferromagneter. Genom att ändra orienteringen av de magnetiska momenten från upp till ned, är det möjligt att lagra antingen en "0" eller en "1". Ferromagneter uppvisar emellertid en nettomagnetisering, vilket innebär att de genererar ett magnetiskt ströfält som kan påverka intilliggande bitar.

För att lösa detta problem kan man ersätta ferromagneterna med antiferromagneter. I motsats till ferromagneter är antiferromagneter material som uppvisar noll nettomagnetisering, trots att de har en magnetisk struktur på atomnivå som ferromagneter. Det betyder att de har en magnetisk orientering där data kan lagras (precis som i en ferromagnet), men de genererar inga magnetiska ströfält och är extremt okänsliga för magnetfält.

För potentiella datalagringstillämpningar betyder det att två intilliggande antiferromagnetiska bitar inte har något sätt att påverka varandra via ströfält, vilket är huvudproblemet som begränsar densiteten i ferromagnetisk datalagring.

Men denna okänslighet och frånvaro av ströfält gör det också svårt att manipulera och inspektera den magnetiska ordningen hos antiferromagneter. Men 2018 rapporterade forskare för första gången att det är möjligt att avsiktligt ändra riktningen på antiferromagnetiska bitar med hjälp av elektriska strömmar. Detta är ett stort steg mot att använda antiferromagneter i datalagringsapplikationer.

Anisotropi oberoende

Att ha möjlighet att kontrollera antiferromagnetiska bitar är bara början, eftersom forskare också behöver veta mer om hur olika egenskaper hos antiferromagneter påverkar deras kapacitet att användas för datalagring.

För sin Ph.D. forskning studerade Casper Schippers flera olika aspekter av antiferromagneter och hur dessa påverkar deras potentiella användning i enheter. Först undersökte han anisotropin, eller den föredragna orienteringen av de magnetiska momenten, i antiferromagnetisk koboltoxid (CoO) (som är ett material som vanligtvis används i antiferromagneter) med hjälp av höga magnetiska fält, där han observerade att anisotropin beror på orienteringen och magnetfältets styrka. Detta i motsats till vad forskare hittills har antagit.

Elektrisk manipulation

Därefter tittade Schippers på den elektriska manipulationen av de antiferromagnetiska materialen CoO och nickeloxid (NiO). Experiment för att utforska möjligheten till elektrisk manipulation plågas ofta av icke-magnetiska parasiteffekter som inte kan särskiljas från de faktiska magnetiska effekterna experimenten försöker påvisa. Med detta i åtanke studerade Schippers och hans medarbetare två tekniker för att isär de magnetiska och de icke-magnetiska effekterna genom att ändra temperaturen och applicera höga magnetfält.

Slutligen studerade Schippers även det antiferromagnetiska, så kallade Van der Waals-materialet nickelfosfortrisulfid (NiPS₃ ). Han visade att när materialet är kopplat till en vanlig ferromagnet och en ström drivs genom ferromagneten, kan det utöva oväntat effektiva vridmoment på ferromagnetens magnetisering.

Arbetet som beskrivs i Schippers avhandling ökar vår grundläggande förståelse av antiferromagneter, och kompletterar de tillgängliga verktygen för att undersöka och arbeta med antiferromagneter. Schippers forskning banar väg för att aktivt använda antiferromagneter i datalagringsenheter i framtiden. + Utforska vidare

Forskare reder ut mysteriet med "Hall effect" i jakten på nästa generations minneslagringsenheter