Elektronen är en av de fundamentala partiklarna i naturen vi läser om i skolan. Dess beteende ger ledtrådar till nya sätt att lagra digital data.

I en studie publicerad i Nanobokstäver , fysiker från Michigan Technological University utforskar alternativa material för att förbättra kapaciteten och krympa storleken på digital datalagringsteknik. Ranjit Pati, professor i fysik vid Michigan Tech, ledde studien och förklarar fysiken bakom hans teams nya nanotrådsdesign.

"Tack vare en egenskap som kallas spin, elektroner beter sig som små magneter, "Sade Pati. "Liknande hur en stavmagnets magnetisering är dipolär, pekar från söder till norr, elektronerna i ett material har magnetiska dipolmomentvektorer som beskriver materialets magnetisering."

När dessa vektorer är i slumpmässig orientering, materialet är omagnetiskt. När de är parallella med varandra, det kallas ferromagnetism och antiparallella justeringar är antiferromagnetism. Nuvarande datalagringsteknik är baserad på ferromagnetiska material, där data lagras i små ferromagnetiska domäner. Det är därför en tillräckligt stark magnet kan förstöra en mobiltelefon eller annan elektronisk lagring.

Datalagringsutmaningar

Beroende på magnetiseringens riktning (om den pekar uppåt eller nedåt), data registreras som bitar (antingen 1 eller 0) i ferromagnetiska domäner. Dock, det finns två flaskhalsar, och båda är beroende av närhet. Först, för en extern magnet för nära, och dess magnetfält kan ändra riktningen för magnetiska moment i domänen och skada lagringsenheten. Och, andra, domänerna har var och en ett eget magnetfält, så de kan inte vara för nära varandra heller. Utmaningen med mindre, mer flexibel, mer mångsidig elektronik är att de kräver enheter som gör det svårare att hålla isär ferromagnetiska domäner på ett säkert sätt.

"Datapackning med ultrahög densitet skulle vara en skrämmande uppgift med ferromagnetiska minnesdomäner, " sa Pati. "Antiferromagnetiska material, å andra sidan, är fria från dessa problem."

I sig är antiferromagnetiska material inte bra för elektroniska enheter, men de påverkas inte av yttre magnetiska fält. Denna förmåga att motstå magnetisk manipulation började få mer uppmärksamhet från forskarsamhället och Patis team använde en prediktiv kvantmångkroppsteori som tar hänsyn till elektron-elektroninteraktioner. Teamet fann att kromdopade nanotrådar med en germaniumkärna och kiselskal kan vara en antiferromagnetisk halvledare.

Antiferromagnetism

Flera forskargrupper har nyligen visat manipulation av individuella magnetiska tillstånd i antiferromagnetiska material med hjälp av elektrisk ström och lasrar. De observerade spindynamik i terahertz-frekvensen - mycket snabbare än frekvensen som används i våra nuvarande datalagringsenheter. Denna observation har öppnat en uppsjö av forskningsintressen inom antiferromagnetism och kan leda till snabbare, datalagring med högre kapacitet.

"I vårt senaste arbete, vi har framgångsrikt utnyttjat de spännande egenskaperna hos en antiferromagnet till en lågdimensionell, komplementär metalloxidkompatibel halvledare (CMOS) nanotråd utan att förstöra nanotrådens halvledande egenskaper, "Det här öppnar möjligheter för mindre och smartare elektronik med högre kapacitet för datalagring och manipulation."

Pati tillägger att den mest spännande delen av forskningen för hans team var att avslöja mekanismen som dikterar antiferromagnetism. Mekanismen kallas superexchange och den kontrollerar elektronernas spinn och den antiparallella inriktningen som gör dem antiferromagnetiska. I lagets nanotråd, germaniumelektroner fungerar som en mellanhand, en växlare, mellan osammanhängande kromatomer.

"Interaktionen mellan de magnetiska tillstånden hos kromatomerna förmedlas av de mellanliggande atomerna de är bundna till. Det är ett samverkande magnetiskt fenomen, " sa Pati. "På ett enkelt sätt, låt oss säga att det finns två personer A och B:De är långt ifrån varandra och kan inte kommunicera direkt. Men A har en vän C och B har en vän D. C och D är nära vänner. Så, A och B kan interagera indirekt genom C och D."

Bättre förståelse för hur elektroner kommunicerar mellan atomvänner möjliggör fler experiment för att testa potentialen hos material som kromdopade nanotrådar. Bättre förståelse för germanium-kisel nanotrådmaterialets antiferromagnetiska natur är det som ökar potentialen för mindre, smartare, elektronik med högre kapacitet.