Under de senaste decennierna, konventionell elektronik har snabbt nått sina tekniska gränser inom data- och informationsteknik, efterlyser innovativa anordningar som går längre än bara manipulation av elektronström. I detta avseende spintronik, studiet av enheter som utnyttjar elektronernas "snurr" för att utföra funktioner, är ett av de hetaste områdena inom tillämpad fysik. Men, mätning, ändra, och, i allmänhet, att arbeta med denna grundläggande kvantegenskap är ingen enkel bedrift.

Nuvarande spintroniska enheter – till exempel, magnetiska tunnelkorsningar – lider av begränsningar som hög strömförbrukning, låga driftstemperaturer, och allvarliga begränsningar i materialval. För detta ändamål, ett team av forskare vid Tokyo University of Science och National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, har nyligen publicerat en studie i ACS Nano , där de presenterar en förvånansvärt enkel men effektiv strategi för att manipulera magnetiseringsvinkeln i magnetit (Fe ₃ O ₄ ), ett typiskt ferromagnetiskt material. Teamet tillverkade en helt fast reduktionsoxidationstransistor ("redox") innehållande en tunn film av Fe ₃ O ₄ på magnesiumoxid och en litiumsilikatelektrolyt dopad med zirkonium (fig. 1). Införandet av litiumjoner i den fasta elektrolyten gjorde det möjligt att uppnå rotation av magnetiseringsvinkeln vid rumstemperatur och signifikant förändra elektronbärardensiteten. Docent Tohru Higuchi från Tokyo University of Science, en av författarna till denna publicerade tidning, säger "Genom att applicera en spänning för att infoga litiumjoner i en fast elektrolyt i en ferromagnet, vi har utvecklat en spintronisk enhet som kan rotera magnetiseringen med lägre energiförbrukning än den vid magnetiseringsrotation genom spinnströmsinjektion. Denna magnetiseringsrotation orsakas av förändringen av spin-omloppskopplingen på grund av elektroninjektion i en ferromagnet."

Till skillnad från tidigare försök som förlitade sig på att använda starka externa magnetfält eller injicera spin-anpassade strömmar, det nya tillvägagångssättet utnyttjar en reversibel elektrokemisk reaktion. Efter att ha lagt på en extern spänning, litiumjoner migrerar från den översta litiumkoboltoxidelektroden och genom elektrolyten innan de når den magnetiska Fe ₃ O ₄ lager. Dessa joner sätter sig sedan in i magnetitstrukturen, bildar Li _x Fe ₃ O ₄ och att orsaka en mätbar rotation i dess magnetiseringsvinkel på grund av en förändring i laddningsbärare.

Denna effekt gjorde det möjligt för forskarna att reversibelt ändra magnetiseringsvinkeln med cirka 10°. Även om en mycket större rotation på 56° uppnåddes genom att höja den externa spänningen ytterligare, de fann att magnetiseringsvinkeln inte kunde växlas tillbaka helt (fig. 2). "Vi bestämde att denna irreversibla magnetiseringsvinkelrotation orsakades av en förändring i magnetitens kristallina struktur på grund av ett överskott av litiumjoner, " förklarar Higuchi, "Om vi ​​kunde undertrycka sådana irreversibla strukturella förändringar, vi skulle kunna uppnå en betydligt större magnetiseringsrotation."

Den nya enheten som utvecklats av forskarna representerar ett stort steg i kontrollen av magnetisering för utvecklingen av spintroniska enheter. Dessutom, anordningens struktur är relativt enkel och lätt att tillverka. Dr. Takashi Tsuchiya, Huvudforskare vid NIMS, motsvarande författare till studien säger, "Genom att kontrollera magnetiseringsriktningen vid rumstemperatur på grund av införandet av litiumjoner i Fe ₃ O ₄ , vi har gjort det möjligt att arbeta med mycket lägre energiförbrukning än magnetiseringsrotationen genom spinnströmsinjektion. Det utvecklade elementet fungerar med en enkel struktur."

Även om mer arbete återstår för att dra full nytta av denna nya enhet, den förestående uppkomsten av spintronics kommer säkerligen att låsa upp många nya och kraftfulla applikationer. "I framtiden, vi kommer att försöka uppnå en rotation på 180° i magnetiseringsvinkeln, " säger Dr Kazuya Terabe, Huvudutredare vid International Center for Materials Nanoarchitectonics vid NIMS och medförfattare till studien, "Detta skulle låta oss skapa spintroniska minnesenheter med hög densitet med stor kapacitet och till och med neuromorfa enheter som efterliknar biologiska neurala system." Vissa andra tillämpningar av spintronik är inom det mycket eftertraktade området kvantberäkning.

Bara tiden kommer att utvisa vad denna frontierteknologi har i kö för oss!