Tehokkaampaa spinien hyödyntämistä

Evgeny Tsymbal pitää kädessään atomirakenteen esitystä, jollainen löytyy ruteniumoksidista, materiaalista jonka ominaisuudet voisivat osoittaa tietä nopeampiin digitaalisiin laitteisiin, joissa on enemmän muistia.

Nebraskan ja Lincolnin yliopistojen fyysikot ovat päätyneet spintroniikan eturintamaan, uuden sukupolven tiedontallennus- ja -käsittelyluokkaan, joka on valmis täydentämään teknologiaa vuosikymmeniä hallinnutta digitaalista elektroniikkaa.

Elektroniikka lukee ja käsittelee binäärikieltä elektronien varauksella ja spintroniikka elektronien spineillä. Laitteet, jotka käsittelevät sujuvasti näitä molempia binäärimenetelmiä, voivat tallentaa ja käsitellä paljon enemmän dataa, paljon suuremmilla nopeuksilla, paljon pienemmällä tehokulutuksella kuin vain elektroniikkaa käyttävät laitteet.

Tähän mennessä useimmat elektroniset ja spintroniset muistit ovat luottaneet ferromagneetteihin eli tyyppeihin, joissa on pysyvä magneettikenttä. Ferromagneeteissa jokaisen atomin spin osoittaa samaan suuntaan ja sitä voidaan vaihtaa ulkoisen magneettikentän avulla ja siten toteuttamaan 1 ja 0.

Ferromagneettien lisäksi myös antiferromagneetit ovat lupaavia. Antiferromagneeteissa spinit osoittavat vuorottelevia suuntiin eli niissä ei synny nettomagneettikenttää. Magneettikentän puuttuminen tarkoittaa, ettei tunneliliitos häiritse naapurin magneettista tilaa, jolloin insinöörit voisivat pakata enemmän tallennuselementtejä tiettyyn tilaan ilman, että ne vahingoittavat toistensa dataa.

Ja jos seuraavan sukupolven laitteet tarvitsevat nopeutta, antiferromagneetit ovat jälleen oikea valinta, professori Evgeny Tsymbal sanoo. Ferromagneetin spinit voidaan vaihtaa nanosekunneissa mutta puolijohteet voivat toimia pikosekuntien alueella. Antiferromagneetit voivatkin pysyä puolijohteiden tahdissa.

Se kuinka kirjoittaa ja lukea informaatiota antiferromagneeteista on ollut merkittävät vaikeus.

1:n tai 0:n kirjoittaminen ja lukeminen ferromagneetista on yksinkertaista mutta ei ole helppoa tapaa erottaa antiferromagneetin spinien tiloja koska ei synny nettomagnetointia, joka tuottaisi havaittavia eroja elektronien virroissa.

Nyt Nebraskan tutkijat osoittavat, että toisin kuin yleinen oletus, spin-riippumatonta johtavuutta kompensoiduissa antiferromagneeteissa ja normaaleissa metalleissa voidaan hyödyntää tehokkaasti spintroniikassa, mikäli niiden magneettinen tilaryhmän symmetria tukee ei-spin-degeneroitunutta Fermi-pintaa.

Liikemäärästä riippuvan spinpolarisaationsa ansiosta tällaisia antiferromagneetteja voidaan käyttää aktiivisina elementteinä antiferromagneettisissa tunneliliitoksissa (AFMTJ) ja ne voivat tuottaa jättimäisen tunnelointimagnetoresisenssin (TMR) vaikutuksen.

Nämä tulokset on laajennettu normaaleihin metalleihin, joita voidaan käyttää vastaelektrodina AFMTJ:issä, joissa on yksi antiferromagneettinen kerros, tai muita elementtejä spintronisissa laitteissa. Työmme paljastaa tutkimattoman potentiaalin materiaaleista, joissa ei ole globaalia spinpolarisaatiota, niiden hyödyntämiseksi spintroniikassa.

Aiheesta aiemmin:

Grafeeni ja 2D-materiaalit voisivat ohittaa Mooren lain

Spintroniikka näyttää kykynsä