Naukowcy umieją kontrolować ferromagnetyzm

Nowe superszybkie pamięci elektroniczne na horyzoncie. Spin w ferromagnetyku zmieniony bez zewnętrznego pola magnetycznego

Naukowcy odkryli jak można zmieniać spin elektronów w cienkich warstwach ferromangentyka. Technika ta może doprowadzić do opracowania bardziej energooszczędnych pamięci elektronicznych.

Przez dekady naukowcy próbowali zmieniać orientację spinów elektronów w materiałach magentycznych poprzez manipulowanie nimi za pomocą zewnętrznych pól. Fizycy z Uniwersytetu Cornella spróbowali innego podejścia – wykorzystać prądy spinowe przenoszone przez elektrony, które powstają, gdy spiny elektronów są zorientowane w jednym kierunku.

Kiedy prądy spinowe oddziałują z cienką warstwą magnetyczną, przenoszą swój moment pędu i wytwarzają moment obrotowy wystarczający do zmiany namagnesowania o 180 stopni. Warto wspomnieć, że proces zmiany orientacji magnetycznej to jeden ze sposobów zapisu informacji w magnetycznych urządzeniach pamięciowych.

Czytaj też: Stworzono syntetyczne nanoklastry. To ważny moment w rozwoju spintroniki

Zespół kierowany przez prof. Dana Ralpha postanowił skupić się na kontrolowaniu kierunku spinu w prądach spinowych poprzez generowanie ich w materiałach antyferromagnetycznych. W antyferromagnetykach spiny elektronów skierowane są w przeciwnych kierunkach, dlatego nie występuje namagnesowanie netto.

Porządek antyferromagnetyczny może obniżyć symetrię próbek na tyle, by umożliwić istnienie niekonwencjonalnych kierunków prądu spinowego. Mechanizm działania antyferromagnetyków wydaje się umożliwiać uzyskanie dość silnych prądów spinowych.

Prof. Dan Ralph

Uczeni eksperymentowali z dwutlenkiem rutenu i mierzyli, w jaki sposób jego prądy spinowe przechylają namagnesowanie w cienkiej warstwie stopu magnetycznego niklu i żelaza o nazwie Permalloy (ferromagnetyku).

Na początku nie wiedzieliśmy, co widzimy. Było to zupełnie inne zjawisko niż to, które widzieliśmy wcześniej, i zajęło nam sporo czasu, aby dowiedzieć się, co to jest. Mamy nadzieję, że uda nam się znaleźć inne materiały, które będą wykazywały podobne zachowanie i które będzie można łatwo zintegrować.

Prof. Dan Ralph

Fizykom udało się zidentyfikować nowe zjawisko, które nazwali zależnym od pędu rozszczepieniem spinu – jest ono mechanizmem unikalnym dla dwutlenku rutenu i innych antyferromagnetyków tej samej klasy. Zjawisko już od dawna przewidywano teoretycznie, ale nie udawało się udokumentować jego istnienia.

Nadzieją byłoby stworzenie bardzo wydajnych, bardzo gęstych i nieulotnych pamięci magnetycznych, które byłyby lepsze od istniejących pamięci krzemowych. Umożliwiłoby to prawdziwą zmianę w sposobie działania pamięci w komputerach, ponieważ mielibyśmy coś o zasadniczo nieskończonej wytrzymałości, bardzo gęstego, bardzo szybkiego, a informacje pozostałyby nawet po wyłączeniu zasilania. Obecnie nie istnieje żadna pamięć, która by to potrafiła.

Prof. Dan Ralph