Multiferroisista spintroniikan pelin muuttajia?

Yksi mahdollinen ratkaisu elektroniikan lämpenemisongelmaan on tehdä elektronisia laitteita elektronin spinejä hyödyntäen.

Eristeessä on mahdollista kuljettaa spinejä itse elektroneja liikuttamatta joten spinvirtojen käyttö varausvirtojen sijasta vähentäisi energiahäviöitä huomattavasti.

Eric Parsonnet Kalifornia Berkeleyn yliopistosta ja kollegat ovat ottaneet tärkeän askeleen kohti spin-pohjaista tietokonetta osoittamalla tavan kytkeä spin-virtoja päälle ja pois sähköisesti.

Spintroniikan alakenttä, jota kutsutaan magnoniikaksi, keskittyy laitteisiin, joissa näitä spinvirtoja kuljettavat magnonit - magneettisessa materiaalissa kohdistettujen spinien aaltomaisia häiriöitä.

Magnoneja olisi kuitenkin ohjattava ja magnonien hallinta eristemateriaaleissa on osoittautunut vaikeaksi. Aikaisemmissa kokeissa tutkijat ovat kokeilleet suuria magneettikenttiä, mutta sellaiset kentät voivat aiheuttaa turhaa kuumenemista.

Tässä harvinainen magnetoelektristen multiferroisten materiaalien luokka voi tarjota polun eteenpäin. Multiferroisissa materiaaleissa useita ferroisia faaseja esiintyy rinnakkain samassa lämpötilassa. Tämän luokan merkittävin jäsen on vismuttiferriitti (BiFeO3), harvinainen esimerkki moniferroisesta, joka on sekä magneettinen että ferrosähköinen huonelämpötilassa.

Aikaisempi työ osoitti magnonien täyssähköisen kytkennän BiFeO3:ssa, mutta tämän vaihdon käyttäminen spinvirtojen hallintaan oli vain teoreetikon unelma.

Parsonnetin ja hänen kollegoidensa kokeilu muuttaa pelin. Heidän tulos tukeutuu aiempiin tutkimuksiin, jotka osoittivat, kuinka puhtaita spinvirtoja saadaan aikaan Seebeck-ilmiön avulla ja kuinka ne havaitaan käänteisspin Hall -ilmiön avulla.

Uudessa työssä Seebeck-ilmiö tuottaa puhtaan spinvirran, kun toinen puoli BiFeO3-kalvoa kuumennetaan: termiset magnonit virtaavat lämpötilagradienttia pitkin lämpimästä kylmään, kun taas spin virta kulkee vastakkaiseen suuntaan. Käänteinen spin Hall-ilmiö paljastaa tämän spinvirran olemassaolon ja suunnan muuttamalla sen havaittavaksi jännitteeksi.

Mutta Parsonnet ja hänen kollegansa menevät tätä pidemmälle vaihtamalla BiFeO3-kalvon ferrosähköinen momentin suuntaa käyttämällä sähkökenttäpulssia. Käyttämällä BiFeO3-ohutkalvoja osoittamaan, että haihtumaton, täysin sähköinen puhtaiden spinvirtojen vaihto on mahdollista ilman magneettikenttiä, Parsonnet ja hänen kollegansa ovat tehneet moniferroisista materiaaleista vahvan kilpailijan spintroniikkapelissä.

Tulevassa työssä pitäisi näkyä tämän kytkimen muuttuminen transistoria vastaavaksi spin-virta elementiksi ja Intelin kaltaisten yritysten kanssa, jotka harkitsevat vakavasti spintronisia vaihtoehtoja perinteiselle piiteknologialle, olemme valmiita tekemään monia muita läpimurtoja tulevaisuudessa.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaaleja puolijohteiden tilalle

Portti auki seuraavan sukupolven tietojenkäsittelylle

Miten olisi magnonielektroniikka?