Elektronik bygger på att elektriska laddningar transporteras från en plats till en annan. Elektroner rör sig, ström flyter och signaler sänds genom att anbringa en elektrisk spänning. Men det finns också ett annat sätt att manipulera elektroniska strömmar och signaler:att använda egenskaperna hos spinn - elektronens inneboende magnetiska moment. Detta kallas "spintronics", och det har blivit ett allt viktigare område inom samtida elektronisk forskning.
Ett internationellt forskarlag som involverar TU Wien och den tjeckiska vetenskapsakademin har nu fått ett viktigt genombrott. De har lyckats byta spinn i ett antiferromagnetiskt material med hjälp av ytspänning. Detta kan leda till en viktig ny forskningslinje inom elektronisk teknik. Forskningen är publicerad i tidskriften Advanced Functional Materials .
"Det finns olika typer av magnetism", förklarar Sergii Khmelevskyi från Vienna Scientific Cluster Research Center, TU Wien. "Den mest kända är ferromagnetism. Den uppstår när atomsnurrarna i ett material alla är parallella. Men det finns också motsatsen, antiferromagnetism. I ett antiferromagnetiskt material har närliggande atomer alltid motsatta spinn." Deras effekter tar därför ut varandra och ingen magnetisk kraft kan upptäckas utifrån.
"2010 kom dock forskare vid TU Wien och den tjeckiska vetenskapsakademin på idén att sådana antiferromagnetiska material har lovande egenskaper för spintroniska tillämpningar", säger Khmelevskyi. Detta var början på det nya forskningsområdet "antiferromagnetisk spintronik", som har utvecklats snabbt sedan dess.
Intensivt arbete gjordes nyligen av TU Wien, Institutet för fysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin och Ecole Polytechnique (Paris). Den största utmaningen var att spinn i antiferromagnetiska material är svåra att manipulera – men att hitta ett sätt att manipulera dem på ett tillförlitligt och exakt sätt är avgörande. Endast om magnetiska tillstånd kan växlas från ett tillstånd till ett annat på ett målinriktat sätt blir det möjligt att producera datorminnesceller (t.ex. MRAM).
Att manipulera ferromagneter är enkelt:Det räcker med att helt enkelt applicera ett externt magnetfält för att påverka dess inre magnetiska egenskaper. Detta är inte möjligt med antiferromagneter – men det finns en väg ut:Du kan arbeta med ytspänning.
Detta kräver dock mycket specifika typer av kristaller. Beroende på geometrin och arrangemanget av atomerna i kristallen kan flera olika antiferromagnetiska spin-arrangemang vara möjliga. Kristallen antar tillståndet med lägst energi. Men det kan vara en situation när flera olika spin-order har samma energi. Detta fenomen kallas "magnetisk frustration". "I så fall kan små interaktioner, som annars inte skulle spela någon roll, avgöra vilket magnetiskt tillstånd kristallen antar", säger Khmelevskyi.
Experiment med urandioxid har visat att mekanisk spänning kan användas för att komprimera kristallgittret en liten bit, och detta är tillräckligt för att ändra den magnetiska ordningen på materialet.
"Vi har nu visat att antiferromagneter faktiskt kan växlas genom att utnyttja egenskaperna hos den magnetiska frustration som finns i många kända material", säger Khmelevskyi. "Det öppnar dörren för många spännande vidareutvecklingar i riktning mot funktionell antiferromagnetisk spintronik."
Mer information: Evgenia A. Tereshina-Chitrova et al, Strain-driven Switching Between Antiferromagnetic States in Frustrated Antiferromagnet UO2 Probed by Exchange Bias Effect, Avancerade funktionella material (2023). DOI:10.1002/adfm.202311895
Tillhandahålls av Wiens tekniska universitet
