Den snabba ökningen av energiförbrukningen relaterad till digital teknik är en stor global utmaning. Ett nyckelproblem är minskningen av energiförbrukningen för magnetiska datalagringsenheter, som används, till exempel, i stora datacenter.

Ett internationellt forskarlag som leds av Massachusetts Institute of Technology (MIT) och med deltagande av Prof. Karin Leistner och Dr. Jonas Zehner från professuren i elektrokemiska sensorer och energilagring vid Institute of Chemistry vid Chemnitz tekniska universitet (tidigare chef för forskargruppen Magnetojonics and Nanoelectrodeposition vid Leibniz Institute for Solid State and Materials Research (IFW) Dresden) demonstrerar nu 180° magnetiseringsomkastning genom spänningsinducerad väteladdning i ferrimagneter.

Detta resultat är av enastående relevans, eftersom 180° magnetiseringsomkastning av rent elektriska fält är i sig svårt utifrån grundläggande principer, men det lovar en drastisk minskning av energiförbrukningen för magnetiseringsväxling. För tillämpning inom datalagring och manipulering, 180° magnetiseringsväxling är avgörande, eftersom magnetiseringen i de enskilda bitarna vanligtvis motsätts av 180°. Således, resultatet av studien har potential att öppna en väg till dramatiskt minskad global energiförbrukning för datalagring.

Förutom deltagarna från MIT och Chemnitz University of Technology, forskargruppen inkluderade forskare från University of Minnesota, Korea Institute of Science and Technology och ALBA Synchrotron i Barcelona. Ledningen togs av materialforskarna Dr. Mantao Huang och Prof. Geoffrey Beach från MIT, experter på vätebaserade magnetojoniska enheter och spintronik.

Resultaten publicerades i den välrenommerade tidskriften Naturens nanoteknik .

Nytt tillvägagångssätt

I magnetiska datalagringsmedia, såsom hårddiskar eller MRAM (magnetiska direktminnen), information lagras genom en specifik justering av magnetisering i mikroskopiska områden. Magnetiseringens riktning justeras vanligtvis av elektriska strömmar eller lokala magnetfält – dessa magnetfält genereras också av elektriska strömmar i mikrospolar. I båda fallen, den elektriska strömmen leder till energiförlust genom Joule-uppvärmning. Därför, kontroll av magnetisering med elektriska fält är ett lovande tillvägagångssätt för att minska energiförbrukningen för magnetisk datateknik. Än så länge, dock, elektrisk fältkontroll av magnetisering kräver höga spänningar eller är begränsad till låga temperaturer.

Som ett nytt tillvägagångssätt för spänningsinducerad magnetiseringsomkoppling, forskargruppen utnyttjade ferrimagneternas specifika egenskaper. Ferrimagneter erbjuder en konfiguration med flera subgitter med subgittermagnetiseringar av olika storleksordningar mot varandra. Nettomagnetiseringen uppstår genom tillägget av subgitterbidragen. Ferrimagneter har också tekniska fördelar jämfört med konventionellt använda ferromagneter, som de tillåter, till exempel, snabb spindynamik.

För ferrimagnetisk gadolinium-kobolt (GdCo) kunde forskarna visa att de relativa subgittermagnetiseringarna kan växlas reversibelt genom spänningsinducerad väteladdning/avlastning. För detta, GdCo kombinerades med ett skikt av gadoliniumoxid (GdOx) som elektrolyt i fast tillstånd och ett mellanskikt av palladium (Pd). Genom att applicera en grindspänning över strukturen, protoner drivs till bottenelektroden och leder till hydrering av Pd/GdCo-skiktet. Införandet av väte i GdCo-gittret leder till en starkare reduktion av subgittermagnetiseringen av Gd än den för Co. Denna så kallade magnetojoniska effekt är stabil över mer än 10 000 cykler. Det kunde bevisas av elementspecifik röntgenmagnetisk cirkulär dikroism (XMCD) spektroskopi och är grunden för den demonstrerade magnetiseringsomkopplingen.

För att uppnå 180° magnetiseringsomkastning utan externa magnetfält, forskarna funktionaliserade GdCo/Pd/GdOx-skiktstrukturen med ett extra antiferromagnetisk nickeloxid (NiO)-skikt. Här, de tjänar på den så kallade "Exchange Bias"-effekten. Denna effekt uppstår när ferri- eller ferromagnetiska skikt sätts i kontakt med ett antiferromagnetiskt skikt. Den är baserad på kopplingen av gränssnittets magnetiska spinn och leder till fastsättningen av ferro/ferrimagnetens magnetiseringsriktning. Exchange bias-effekten används, t.ex., i magnetiska sensorer i läshuvuden på hårddiskar för att fästa magnetiseringsriktningen för ett referensskikt. För ferromagnetisk GdCo, kontakten med det antiferromagnetiska NiO leder till en stiftning av subgittermagnetiseringarnas riktning. I detta fall, under den magneto-joniska omkopplingen, nätmagnetiseringen växlar med 180°. Detta betyder, för första gången, en rent elektriskt fältstyrd magnetiseringsomkastning utan hjälp av ett magnetfält.

Prof. Karin Leistner och Dr. Jonas Zehner tog in sin expertis om överföring av magneto-jonisk styrning till utbytesförspänningssystem. "Min grupp studerar intensivt kombinationen av magneto-joniska system med aniferromagnetiska skikt och vi är vid det här laget experter på magneto-jonisk styrning av utbytesbias, " förklarar prof. Karin Leistner. Under sin doktorandtid i Karin Leistners forskargrupp vid IFW Dresden, Jonas Zehner tog tillfället i akt på en sex månader lång forskningsvistelse i gruppen av Prof. Beach vid MIT. Under denna forskningsvistelse, tillsammans med prof. Karin Leistner och prof. Geoffrey Beach, Jonas Zehner initierade och optimerade den utbytesförspänningsskiktstruktur som krävs för 180° magnetiseringsomkastningen. För detta, han kombinerade först det magneto-joniska modellsystemet Co/GdOx med antiferromagnetiskt NiO. Han förberedde tunnfilmssystem genom magnetronförstoftning och analyserade inverkan av tjocklek, sammansättning och skiktsekvens på den resulterande utbytesförspänningen och magnetojonisk kontroll. De magnetiska egenskaperna under vätgasladdning mättes med en hemmabyggd magneto-optisk Kerr Effect-uppställning. Med dessa experiment, han upptäckte att ett ultratunt Pd-lager mellan GdCo och NiO är avgörande för att stabilisera utbytesbiaseffekten.