Föreställ dig att bita i en jordnötssmörsmacka och upptäcka en skiva ost stoppad mellan brödet och smöret. På ett sätt, detta är vad som hände med ett team av fysiker vid University of Arizona, förutom att "osten" var ett lager av järnoxid, mindre än ett atomlager tjockt, och "smörgåsen" var en magnetisk tunnelkorsning - en liten, skiktad struktur av exotiska material som en dag kan ersätta nuvarande kiselbaserade datortransistorer och revolutionera datoranvändning. Järnoxid - ett material som är relaterat till vad som allmänt kallas rost - uppvisar exotiska egenskaper när dess tjocklek närmar sig den hos enstaka atomer.

Ett team ledd av Weigang Wang, professor vid UArizona Institutionen för fysik, föreslår i en ny studie att det tidigare okända lagret är ansvarigt för vissa beteenden hos magnetiska tunnelkorsningar som hade fysiker förbryllat i många år. Upptäckten, publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , öppnar för oväntade möjligheter att utveckla tekniken ytterligare.

Till skillnad från konventionella mikrotransistorer, magnetiska tunnelövergångar använder inte den elektriska laddningen av elektroner för att lagra information, men dra nytta av en kvantmekanisk egenskap som elektroner har, som kallas "snurr". Känd som spintronics, datorteknik baserad på magnetiska tunnelkorsningar är fortfarande mycket i experimentfasen, och tillämpningarna är extremt begränsade. Till exempel, tekniken används i flygplan och spelautomater för att skydda lagrad data från plötsliga strömavbrott.

Detta är möjligt eftersom magnetiska tunnelövergångar bearbetar och lagrar information genom att ändra orienteringen av nanoskaliga magneter istället för att flytta runt elektroner som vanliga transistorer gör.

"När du vänder på magnetiseringens riktning, en magnetisk tunnelövergång beter sig som en transistor genom att den antingen är "på" eller "av", sa Meng Xu, en doktorand i Wangs labb och första författare på tidningen. "En av dess fördelar är att när du håller den i det tillståndet, det förbrukar ingen energi för att behålla den lagrade informationen."

Även om högpresterande magnetiska tunnelkorsningar har funnits i cirka 20 år, forskare har blivit förbryllade över det faktum att när de mätte skillnaden mellan "på" och "av" tillstånd, värdena var mycket lägre än vad de fysiska egenskaperna hos dessa nanostora switchar skulle förutsäga, begränsa potentialen för magnetiska tunnelkorsningar som byggstenarna för spintronisk beräkning.

Det mysteriet kan förklaras av det tunna lagret av järnoxid som Wang och hans kollegor upptäckte vid gränssnittet mellan de två magnetiska lagren i deras magnetiska tunnelövergångsprover - "ostskivan" i sandwichanalogin.

"Vi tror att detta lager fungerar som en förorening, förhindrar vårt prov från att uppnå den prestanda vi vill se från en magnetisk tunnelkorsning, " sa Wang.

Dock, Wang säger att fynden är en medalj med två ansikten, för medan det oväntade lagret minskar utsikterna för magnetiska tunnelkorsningar genom att sänka resistansförändringen i deras "på" och "av" tillstånd, det är goda nyheter eftersom det öppnar oväntade möjligheter inom ett annat område av spintronics.

Wangs grupp upptäckte att lagret beter sig som en så kallad antiferromagnet när de testade tunnelkorsningarna vid extremt kalla temperaturer under negativa 400 grader Fahrenheit, eller negativ 245 grader Celsius.

Antiferromagneter är under intensiv forskning eftersom de potentiellt kan manipuleras vid Terahertz-frekvenser, ca 1, 000 gånger snabbare än befintligt, kiselbaserad teknik, som vanligtvis verkar i Gigahertz-regionen. Tills nu, dock, forskare har kämpat med att hitta sätt att manipulera de lovande enheterna, ett avgörande första steg i att tillämpa tekniken på datalagring.

"I några få fall, forskare lyckades med framgång kontrollera antiferromagnetiska material isolerat, "Wang sa, "men så fort du försöker införliva ett antiferromagnetiskt lager i en magnetisk tunnelövergång - och det är vad du måste göra för att använda dem för spintronik - dödar det hela grejen."

Men lagret som rapporteras i denna studie gör det inte, Wangs team hittade. För första gången, detta kan tillåta forskare att kombinera fördelarna med antiferromagneter – oöverträffad läs- och skrivhastighet – med styrbarheten hos magnetiska tunnelövergångar, sa Wang.

"Med denna studie, vi visade för första gången att vi kan ändra den antiferromagnetiska egenskapen hos en magnetisk tunnelövergång med hjälp av ett elektriskt fält, vilket tar oss ett steg närmare att använda antiferromagnetisk spintronik för minneslagring, " sa Wang.

Här är anledningen:Medan man använder spins i antiferromagneter för att bearbeta information ökar beräkningshastigheten avsevärt, så småningom måste den informationen omvandlas tillbaka till en elektrisk laddning, sa Wang.

"All information som vi kodar i spin, oavsett om antiferromagnetisk eller magnetisk, vi vill så småningom läsa ut som en elektrisk signal eftersom elektronen verkligen är det bästa vi har och det mest populära mediet att bearbeta, läsa och skriva information, ", sade han. "Den omvandlingen görs normalt av magnetiska tunnelkorsningar."

Att införliva antiferromagnetiska skikt i magnetiska tunnelövergångar kan en dag göra det möjligt för ingenjörer att designa datorer där informationsbehandlingen sker på samma plats som informationslagring, liknar den mänskliga hjärnan.

Spintronic-enheter erbjuder en annan fördel jämfört med konventionella transistorer, enligt Wang:De kräver inte energi bara för att behålla informationen som lagras i minnet.

"Med spintronics, du behöver bara det elektriska fältet för att skriva informationen, men när det väl är gjort, du kan stänga av den för att minska energiförbrukningen, " han sa.

Kiselbaserade transistorer å andra sidan, lider av en effekt som kallas elektronläckage, sa Wang. Eftersom tillverkare proppar in fler och fler transistorer i mindre områden av mikroprocessorer, fler och fler elektroner går förlorade, kräver att enheten utför extra arbete och förbrukar extra energi bara för att motverka denna process.

Elektronläckage är en av anledningarna till att Moores lag – som säger att antalet transistorer på ett chip fördubblas vartannat år – förväntas upphöra snart, sa Wang.

With spintronic devices, leakage is not an issue; they can store information virtually indefinitely without consuming power.

"It's the same reason your fridge magnets can stay in place for a really long time, " he said. "Once the quantum mechanical exchange interaction has been made, no energy input is needed to maintain the magnetization direction."