Ett oväntat fenomen som kallas nollfältsväxling (ZFS) kan leda till mindre, minnes- och datorenheter med lägre effekt än vad som är möjligt för närvarande. Bilden visar ett lager av platina (Pt), volfram (W), och en kobolt-järn-bor-magnet (CoFeB) inklädd i ändarna av guld (Au) elektroder på en kisel (Si) yta. De grå pilarna visar den övergripande riktningen av elektrisk ström som injiceras i strukturen på baksidan av guldkontakten (Au) och kommer ut från den främre guldkontaktdynan.

CoFeB-lagret är en nanometertjock magnet som lagrar lite data. En "1" motsvarar CoFeB-magnetiseringen som pekar uppåt (uppåtpil), och en "0" representerar magnetiseringen som pekar nedåt (nedåtpil). "0" eller "1" kan läsas både elektriskt och optiskt, när magnetiseringen ändrar reflektionsförmågan hos ljus som lyser på materialet genom ett annat fenomen som kallas den magneto-optiska Kerr-effekten (MOKE).

I enheten, elektrisk ström kan vända datatillståndet mellan 0 och 1. Tidigare enheter av denna typ har också krävt ett magnetfält eller andra mer komplexa åtgärder för att ändra materialets magnetisering. Dessa tidigare enheter är inte särskilt användbara för att bygga stabila, icke-flyktiga minnesenheter.

Ett genombrott inträffade i ett forskningssamarbete mellan Johns Hopkins University och NIST. Teamet upptäckte att de kunde vända CoFeB-magnetiseringen på ett stabilt sätt mellan 0 och 1-tillstånden genom att bara skicka elektrisk ström genom Pt- och W-metallskikten intill CoFeB-nanomagneten. De behövde inget magnetfält. Denna ZFS-effekt (zero-field switching) var en överraskning och hade inte förutspåtts teoretiskt.

I sitt arbete, forskarna skapade en speciell typ av elektrisk ström som kallas en "spinn" -ström. Elektronerna som bär elektrisk ström har en egenskap som kallas spinn som kan föreställas som en stavmagnet som pekar i en specifik riktning genom elektronen. Exploateras alltmer inom det framväxande området som kallas "spintronics, " spinnström är helt enkelt elektrisk ström där elektronernas spinn pekar i samma riktning. När en elektron rör sig genom materialet, samspelet mellan dess spin och dess rörelse (kallas ett spin-omloppsvridmoment, SOT) skapar en spinnström där elektroner med ett spinntillstånd rör sig vinkelrätt mot strömmen i en riktning och elektroner med motsatt spintillstånd rör sig i motsatt riktning. De resulterande snurren som har rört sig intill det magnetiska CoFeB-lagret utövar ett vridmoment på det lagret, vilket gör att dess magnetisering vänds. Utan spinnströmmen är CoFeB-magnetiseringen stabil mot alla fluktuationer i ström och temperatur. Denna oväntade ZFS-effekt ställer nya frågor till teoretiker om den underliggande mekanismen för det observerade SOT-inducerade växlingsfenomenet.

Detaljer om vridmomentet för rotationsbana illustreras i diagrammet. De lila pilarna visar elektronernas spinn i varje lager. Den blå krökta pilen visar i vilken riktning spinn av den typen omdirigeras. (Till exempel, i W-lagret, elektroner med spinn till vänster i xy-planet avleds för att röra sig uppåt mot CoFeB och elektronsnurren till höger avleds för att röra sig ner mot Pt.) Notera elektronsnurrarna i Pt med spinn åt höger (i xy -plan), dock, avleds för att röra sig uppåt mot W och elektronen snurrar med snurr till vänster avleds för att röra sig nedåt mot Si. Detta är motsatt den riktning som elektronen snurrar i W rör sig, och detta beror på skillnader i SOT som upplevs av elektroner som rör sig genom Pt och de som rör sig genom W. Faktum är att, det är denna skillnad i hur elektronerna rör sig genom var och en av dessa två ledare som kan vara viktig för att möjliggöra den ovanliga ZFS-effekten.

Forskargruppen, inklusive NIST-forskarna Daniel Gopman, Robert Shull, och NIST gästforskare Yury Kabanov, och Johns Hopkins University forskare Qinli Ma, Yufan Li och professor Chia-Ling Chien, rapportera sina resultat idag Fysiska granskningsbrev .

Pågående undersökningar av forskarna försöker identifiera andra potentiella material som möjliggör nollfältbyte av en enda vinkelrät nanomagnet, samt att bestämma hur ZFS-beteendet förändras för nanomagneter som har mindre laterala storlekar och utveckla den teoretiska grunden för detta oväntade växlingsfenomen.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.