Sähköinen spinin hallinta altermagneettisissa kvanttimateriaaleissa

Spintroniikka, nouseva teknologia-ala, hyödyntää elektronien spiniä niiden varauksen sijaan informaation käsittelemiseen ja tallentamiseen.

Useimmat spintroniset järjestelmät vaativat kuitenkin magneettikenttiä spinin ohjaamiseen, mikä on haastavaa erityisesti ultrakompaktien rakenteiden parissa.

Singaporen teknillisen ja suunnittelun yliopiston (SUTD) johtama tutkimusryhmä on ottanut käyttöön uuden menetelmän elektronien spinin ohjaamiseksi käyttämällä vain sähkökenttää. Tämä voisi tasoittaa tietä erittäin pienikokoisten, energiatehokkaiden spintronisten laitteiden tulevalle kehitykselle.

Heidän työnsä osoittaa, kuinka kehittyvä magneettinen materiaali, altermagneettinen kaksoiskerros, voi isännöidä uuden mekanismin, jota kutsutaan kerrokselliseksi spin-lukitukseksi, mikä sitten mahdollistaa spinvirtojen sähköisen manipuloinnin huoneenlämpötilassa.

Altermagnetismi on ainutlaatuinen magnetismin tyyppi, jossa materiaaleilla on epätavallinen ominaisuus: materiaalissa olevien elektronien spinit osoittavat vastakkaisiin suuntiin, luoden magneettisten momenttien tasapainon, joka kumoaa suuren mittakaavan magnetoinnin. Tämä ilmiö eroaa perinteisestä ferromagnetismista ja antiferromagnetismista, koska se johtaa kykyyn luoda ei-samansuuntaisia spinvirtoja ja ainutlaatuista elektronista käyttäytymistä, jota voidaan hienosäätää. Tämä tekee altermagneettisista materiaaleista ihanteellisia spintroniikan sovelluksiin, jossa tarvitaan tarkkaa spin-tilojen hallintaa.

Ryhmä havaitsi, että altermagneettisessa kaksoiskerroksessa - järjestelmässä, joka koostuu kahdesta erittäin ohuesta kerroksesta kromisulfidia (CrS) - elektronit erottuvat luonnollisesti kerroksiin, joilla on vastakkaiset spinien suunnat. Käyttämällä yksinkertaista sähkökenttää tutkijat havaitsivat, että he pystyivät muuttamaan spin-polarisaation ja saavuttamaan jopa 87 %:n merkkiä kääntävän spinpolarisaation huonelämpötilassa.

"Osoitamme, että spiniä voidaan ohjata puhtaasti sähkökentällä, mikä eliminoi magneettikenttien tarpeen. Tämä tasoittaa tietä erittäin pienikokoisille, erittäin tehokkaille spintroniikkalaitteille", sanoi johtava kirjoittaja tohtori Rui Peng SUTD:stä.

Tällä löydöllä on merkittäviä vaikutuksia seuraavan sukupolven tietojenkäsittelyyn, muistin tallennus- ja kvanttiteknologioihin. Tutkijat uskovat, että heidän työnsä voisi inspiroida uusia materiaaleja ja rakennemalleja, jotka perustuvat altermagneettisiin materiaaleihin.

Tämän tutkimuksen seuraava vaihe keskittyy kokeelliseen validointiin ja laiteprototyyppiin. Tiimi tutkii tapoja integroida kaksikerroksinen järjestelmänsä todellisiin piireihin ja osoittaa sen toteutettavuuden kaupallisissa spintroniikkasovelluksissa.

"Perimmäisenä tavoitteena on kehittää käytännöllisiä, valmistettuja spintronirakenteita, jotka voivat ylittää nykypäivän piipohjaisen elektroniikan", apulaisprofessori Ang lisäsi. "Tämä tutkimus tarjoaa suunnitelman siitä, kuinka pääsemme sinne."

Aiheesta aiemmin:

Horisontissa sähköisesti ohjelmoitava spintroniikka

2D-spintroniikkaa uudella tavalla

Uusia magnetismin ilmiöitä