Elektronispinien kaksoismomentti vauhdittaa spintroniikkaa

Tohokun yliopiston tutkimusryhmä on ottanut merkittävän askeleen eteenpäin spintroniikan alalla. Heidän löytönsä voisi tasoittaa tietä seuraavan sukupolven muistisiruille, jotka yhdistävät suuren nopeuden vähäiseen virrankulutukseen.

Spintronisessa muistissa informaatio tallennetaan pieniin magneettisiin alueisiin. Dataa voidaan lukea tai kirjoittaa siirtämällä näitä alueita sähkövirralla. Niiden väliset rajat, joita kutsutaan alueseinämiksi, ovat ratkaisevassa roolissa, sillä alueiden siirtäminen tarkoittaa niiden seinien siirtämistä.

Nopean ja tehokkaan domeeniseinän liikkeen saavuttaminen on välttämätöntä edistyneiden muistien, kuten magneettisten siirtorekisterien ja kolminapaisten magneettisten RAM-muistien (MRAM), kehittämisessä.

Tutkijat keskittyivät keinotekoiseen antiferromagneettiseen ohutkalvoon, joka oli valmistettu koboltti- iridium- ja platina-kerroksista. Tämä rakenne, jossa kaksi Co-kerrosta on erotettu toisistaan Ir-kerroksella ja sijoitettu Pt-kerrosten väliin, saa kaksi Co-kerrosta olemaan vastakkaisiin suunnissa – järjestely, joka tunnetaan antiferromagneettisena kytkentänä. Pt-kerrokset auttavat ohjaamaan materiaalin liikettä spin-Hall-ilmiön kautta, joka synnyttää elektronispinien virtoja, jotka työntävät Co-kerrosten magneettisia momentteja.

Ensi silmäyksellä saattaa vaikuttaa siltä, että ylä- ja alaosan Pt-kerrosten synnyttämät spinit kumoavat toisensa, koska niillä on vastakkaiset suunnat.

Tutkimusryhmä havaitsi kuitenkin, että nämä vastakkaiset voimat itse asiassa yhdistyvät ainutlaatuisella tavalla ja toimivat yhdessä liikuttaakseen alueseiniä sen sijaan, että ne pysäyttäisivät ne. Tämä kaksoisvääntömekanismi vahvistettiin sekä kokeilla että numeerisilla simulaatioilla, ja kyseessä oli ensimmäinen osoitus tällaisesta spinin ohjaamasta liikkeestä tällaisessa materiaalissa.

Tutkijat menivät vielä askeleen pidemmälle lisäämällä hienovaraisen gradientin Co-kerrosten paksuuteen, rikkoen rakenteen symmetrian. Tämä loi tehokkaan magneettikentän, joka helpotti alueseinien liikuttamista entisestään. Kentän kasvaessa liikkeen ajamiseen tarvittiin vähemmän virtaa, ja seinämät liikkuivat nopeammin, mikä mahdollisti informaation tehokkaamman käsittelyn.

”Tuloksemme osoittavat uuden tavan hallita alueseinän liikettä käyttämällä yhdistettyjä spin-vääntömomentteja keinotekoisessa antiferromagneetissa. Tämä löytö voisi tuoda meidät lähemmäksi seuraavan sukupolven spintronisten piirien luomista, jotka ovat nopeampia ja kuluttavat paljon vähemmän energiaa kuin nykyelektroniikka”, sanoi artikkelin toinen kirjoittaja Takeshi Seki.

Vaikka spintroniikka on perinteisesti perustunut ferromagneettisiin materiaaleihin, antiferromagneettinen spintroniikka on nyt nousemassa lupaavaksi alueeksi, joka tarjoaa potentiaalia suurempaan miniatyrisointiin ja suurempiin toimintanopeuksiin, toteaa aiheesta julkaistu tiedote.

Aiheesta aiemmin:

Sähköinen spinin hallinta altermagneettisissa kvanttimateriaaleissa

Horisontissa sähköisesti ohjelmoitava spintroniikka

2D-spintroniikkaa uudella tavalla