Med rätt material i rätt vinkel har Cornell-forskare upptäckt en strategi för att byta magnetisering i tunna lager av en ferromagnet - en teknik som så småningom kan leda till utvecklingen av mer energieffektiva magnetiska minnesenheter.

Teamets artikel, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide", publicerad 5 maj i Nature Electronics . Tidningens huvudförfattare är postdoktorn Arnab Bose och doktoranderna Nathaniel Schreiber och Rakshit Jain.

I decennier har fysiker försökt ändra orienteringen av elektronsnurr i magnetiska material genom att manipulera dem med magnetfält. Men forskare inklusive Dan Ralph, F.R. Newman professor i fysik vid College of Arts and Sciences och tidningens seniorförfattare har istället tittat på att använda spinnströmmar som bärs av elektroner, som existerar när elektroner har snurr generellt orienterade i en riktning.

När dessa spinnströmmar interagerar med ett tunt magnetiskt lager överför de sitt vinkelmoment och genererar tillräckligt med vridmoment för att växla magnetiseringen 180 grader. (Processen att byta denna magnetiska orientering är hur man skriver information i magnetiska minnesenheter.)

Ralphs grupp har fokuserat på att hitta sätt att styra spinns riktning i spinnströmmar genom att generera dem med antiferromagnetiska material. I antiferromagneter pekar varannan elektronspin i motsatt riktning, så det finns ingen nettomagnetisering.

"I huvudsak kan den antiferromagnetiska ordningen sänka symmetrierna hos proverna tillräckligt för att tillåta okonventionella orienteringar av spinström att existera," sa Ralph. "Mekanismen för antiferromagneter verkar ge ett sätt att faktiskt få ganska starka spinnströmmar också."

Teamet hade experimenterat med antiferromagneten ruteniumdioxid och mätt hur dess spinnströmmar lutade magnetiseringen i ett tunt lager av en magnetisk nickel-järnlegering som heter Permalloy, som är en mjuk ferromagnet. För att kartlägga de olika komponenterna i vridmomentet, mätte de dess effekter vid en mängd olika magnetfältsvinklar.

"Vi visste inte vad vi såg först. Det var helt annorlunda än vad vi såg tidigare, och det tog oss mycket tid att ta reda på vad det är," sa Jain. "Dessa material är dessutom svåra att integrera i minnesenheter, och vår förhoppning är att hitta andra material som kommer att visa liknande beteende som enkelt kan integreras."

Forskarna identifierade så småningom en mekanism som kallas "momentumberoende spin splitting" som är unik för ruteniumoxid och andra antiferromagneter i samma klass.

"Under en lång tid antog människor att i antiferromagneter snurrar upp och snurrar ner elektroner alltid beter sig likadant. Denna klass av material är verkligen något nytt," sa Ralph. "De elektroniska tillstånden som snurrar upp och ner har i grunden olika beroenden. När du väl börjar applicera elektriska fält ger det dig omedelbart ett sätt att skapa starka spinnströmmar eftersom elektronerna som snurrar upp och ner reagerar olika. Så du kan accelerera en av dem mer än den andra och få en stark spinnström på det sättet."

Denna mekanism hade antagits men aldrig tidigare dokumenterad. När kristallstrukturen i antiferromagneten är orienterad på lämpligt sätt i enheter, tillåter mekanismen att spinnströmmen kan lutas i en vinkel som kan möjliggöra mer effektiv magnetisk omkoppling än andra spinn-omloppsinteraktioner.

Nu hoppas Ralphs team hitta sätt att tillverka antiferromagneter där de kan styra domänstrukturen – dvs de regioner där elektronernas magnetiska moment är i linje i samma riktning – och studera varje domän individuellt, vilket är utmanande eftersom domänerna är normalt blandat.

Så småningom kan forskarnas tillvägagångssätt leda till framsteg inom teknik som inkluderar magnetiskt slumpmässigt minne.

"Förhoppningen skulle vara att göra mycket effektiva, mycket täta och icke-flyktiga magnetiska minnesenheter som skulle förbättra de befintliga kiselminnesenheterna," sa Ralph. "Det skulle tillåta en verklig förändring av hur minnet görs i datorer eftersom du skulle ha något med i huvudsak oändlig uthållighet, väldigt tätt, väldigt snabbt, och informationen stannar kvar även om strömmen stängs av. Det finns inget minne som gör det. det nu för tiden." + Utforska vidare

Mycket effektivt sätt att vända magnetisering med spinnströmmar