En illustration visar den okonventionella laddningen för spinntransduktion i ett kvantmaterial med lågsymmetrisk kristallstruktur. (Vänster) En modell som visar kristallstrukturen för WTe2 , där a-axeln och b-axeln är märkta. Kristallen är invariant (icke-invariant) vid en bc (ac) spegeloperation. (Överst till höger) När en laddningsström (visas med gul pil) appliceras längs b-axeln, finns det bara en komponent i planet av spinnpolarisering som visas med gröna pilar. (Nedre höger) Å andra sidan, när en laddningsström appliceras längs a-axeln, finns det en komponent utanför planet av spinnpolarisationen som visas med gröna pilar. Denna utom planet orienterade spinström används för att ändra magnetiseringen i detta arbete. Kredit:Carnegie Mellon University
När Carnegie Mellon University doktorander I-Hsuan Kao och Ryan Muzzio började arbeta tillsammans slog en strömbrytare på. Sedan av.
Kao, Muzzio och andra forskningspartner, som arbetade i Institutionen för fysiks laboratorie för att undersöka kvantmaterial, gränssnitt och enheter (LIQUID) Group, kunde visa bevis på att en elektrisk ström genom ett nytt tvådimensionellt material kunde styra magnetiskt tillstånd hos ett närliggande magnetiskt material utan att ett externt magnetfält behöver appliceras.
Det banbrytande arbetet, som publicerades i Nature Materials i juni och har ett relaterat patentsökt, har potentiella applikationer för datalagring i konsumentprodukter som digitalkameror, smartphones och bärbara datorer.
"Vad vi gör här är att använda ultratunna material - ofta tjocka av få atomer - och stapla dem ovanpå varandra för att skapa högkvalitativa enheter", säger Kao (till höger), som var första författare på tidningen.
Simranjeet Singh, biträdande professor i fysik och Jyoti Katoch, biträdande professor i fysik, övervakar LIQUID Group, som undersöker de inneboende fysikaliska egenskaperna hos tvådimensionella kvantmaterial såsom volframditellurid (WTe2 ) och deras elektroniska och spinnrelaterade egenskaper.
"Spins och magnetism finns överallt omkring oss," sa Singh. "Atomer konfigureras på ett speciellt sätt på ett atomgitter som i sin tur dikterar materialegenskaper. För WTe2 , den har en lågsymmetrisk kristallstruktur som gör att vi kan generera en speciell sorts spinnström genom att applicera ett elektriskt fält."
Sättet atomer är konfigurerade i WTe2 möjliggör en utom planet orienterad spinnström som i sin tur kan användas för att styra magnetiseringstillståndet för en magnet. Singh sa att för att växla det magnetiska tillståndet (upp eller ner) för de flesta magnetiska material med hjälp av spinström som studerats hittills, appliceras ett magnetfält horisontellt eller i plan. Att ha ett material som kan byta magnetism utan behov av ett externt magnetfält kan leda till energieffektiv datalagring och logiska enheter.
Arbetet skulle kunna tillämpas på magnetoresistiva random-access memory (MRAM)-enheter, som har potentialen att realisera höghastighets- och tätt packade datalagringsbitar samtidigt som de använder mindre ström.
"Människor kan göra detta redan, du kan ta ett material, applicera ett elektriskt fält för att generera i planet orienterad spinnström och använda den för att växla magnetiseringen från ett uppåtläge till ett nedåtläge eller vice versa, men det kräver en extern magnetfält", sa Muzzio (till vänster). "Vad det här handlar om är att hitta ett material som har den inneboende egenskapen som inkluderar att bryta symmetri."
Kao tog med sig expertis om magnetism, medan Muzzio förstod hur man bygger enheterna samt studerar elektronernas beteende i materialsystem. För att visa att beteendet var reproducerbart skapade Kao och Muzzio mer än 20 enheter under två år.
De enkla enheterna är mycket små och tillåter att en omkopplare antingen vrids i ett upp- eller nedläge, tänk på det som nollor och ettor i binärt, sa Kao. Även om enheterna kan vara 3–50 mikron i längd eller bredd, är tjockleken mindre än 1/200 av ett människohår.
"Vi har precis skrapat på ytan av vad det här materialet kan göra," sa Muzzio. "Det finns så mycket mer parameterutrymme för oss att utforska och så många sätt att använda detta material. Det här är bara början." + Utforska vidare
