Figur 1:RIKEN-fysiker har demonstrerat en ny metod för att elektriskt styra (indikerat med E) magnetiseringen (M) av ett ferromagnetiskt lager (grå band). Det involverar injicering av orbital rörelsemängd (L, röda pilar) från ett icke-magnetiskt lager (orange band) till det ferromagnetiska lagret, som genererar orbitalt vridmoment (OT), vilket i sin tur roterar magnetiseringen. Kredit:Figur anpassad, med tillåtelse, från ref. 1. Upphovsrättsskyddad av American Physical Society
Utvecklingen av innovativa magnetiska nanoenheter är ett steg närmare verkligheten tack vare RIKEN-fysikers observation av en typ av rotation som kan realiseras i material som består av lätta element.
Möjligheten att använda elektriska strömmar för att vrida roterande mekaniska delar ledde till utvecklingen av elmotorer och orsakade en explosion i elektriska apparater. Nu, fysiker försöker göra samma sak men i nanoskala. Dock, utvecklingen av innovativa magnetiska nanoenheter kräver effektiv elektrisk generering av rotation, eller vridmoment.
Vanligtvis, vridmoment genereras i magnetiska system genom att omvandla elektrisk laddning till spinn genom att använda den starka spin-omloppsinteraktionen av ett tungmetallskikt. Den resulterande spinnströmmen injiceras sedan i intilliggande ferromagnetiska skikt. Men tunga elementmaterial är ofta oförenliga med skalbara produktionsprocesser, och deras höga motstånd gör dem olämpliga för vissa applikationer.
Ett nyligen genomfört teoretiskt förslag föreslog att vridmoment skulle kunna produceras genom att injicera orbital vinkelmoment i ferromagnetiska skikt. Det orbitala vinkelmomentet kan genereras genom att leda en elektrisk ström genom lätta elementmaterial. Den kan sedan omvandlas till spin genom spin-omloppsinteraktionen av ett ferromagnetiskt lager. Denna typ av vridmoment kallas orbitalt vridmoment, och det kan vara liknande till vridmomentet som induceras av spinninjektion.
Nu, Junyeon Kim, YoshiChika Otani och medarbetare vid RIKEN Center for Emergent Matter Science, tillsammans med internationella samarbetspartners, har realiserat en så effektiv vridmomentgenerering i treskiktssystem som består av ett ferromagnetiskt skikt, ett kopparskikt och en aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) lager.
I detta system, det orbitala vinkelmomentet genereras vid koppar-aluminiumoxidgränssnittet och transporteras sedan av kopparskiktet till det ferromagnetiska skiktet, där det omvandlas till spin.
Även om vridmomentgenereringseffektiviteten hos detta system konkurrerade med material som innehåller tunga element, den underliggande fysiken är fundamentalt annorlunda. Teamet fann att vridmomentgenereringseffektiviteten varierade med två storleksordningar när olika ferromagnetiska lager användes. Detta skiljer sig mycket från beteendet hos spinninjektionssystem, bekräftar att en ny typ av vridmoment fungerar.
A CoFe/Cu/Al 2 O 3 treskiktssystem – det som gav bäst resultat – uppvisade en effektiv spin Hall-konduktivitet, som är proportionell mot vridmomentgenereringseffektiviteten, tio gånger större än vad som observeras i tunga elementmaterial. Denna exceptionella spinnledningsförmåga kommer att översättas till energieffektiv enhetsdrift och hög cyklbarhet tack vare lägre produktion av spillvärme. Dessa resultat vidgar materialvalen för magnetiska nanoenheter, lovar anmärkningsvärda effektivitetsvinster och möjligheten till massproduktion.
