Magnetismin kytkentä antiferromagneeteissa

Tokion yliopiston Ryo Shimanon johtama tutkimusryhmä on onnistuneesti visualisoinut kaksi erillistä mekanismia, joiden kautta elektronien luontaiset ominaisuudet, ylös- ja alas-spinit, vaihtuvat antiferromagneetissa, materiaalissa, jossa spinien suuntautumiset kumoavat toisensa.

Yksi visualisoiduista mekanismeista tarjoaa toimintaperiaatteen ultranopeiden, haihtumattomien magneettisten muisti- ja logiikkapiirien kehittämiselle, jotka voisivat olla paljon nopeampia kuin nykyteknologiat.

"Useiden vuosien ajan", Shimano sanoo, "tiedemiehet uskoivat, että antiferromagneetit, kuten Mn₃Sn, voisivat vaihtaa magnetisaationsa erittäin nopeasti. Oli kuitenkin epäselvää, voisiko tämä haihtumaton kytkentä tapahtua muutamassa tai useissa kymmenissä pikosekunneissa tai miten magnetisaatio todella muuttui kytkentäprosessin aikana."

Suurin kysymys mekanismista oli, toimiiko se sähkövirran tuottaman lämmön vai itse virran vaikutuksesta. Tutkijat päättivätkin löytää vastauksen tähän kysymykseen visualisoimalla mekanismin.

He valmistivat ohuen Mn₃Sn:n-kerroksen ja lähettivät sen läpi lyhyitä sähköpulsseja. Sitten he yrittivät luoda "timelapse-kuvan" magnetisaation muutoksesta käyttämällä tarkasti ohjattuja ultranopeita valonvälähdyksiä, joissa oli vaihtelevia viiveitä sähköpulssiin verrattuna.

"Projektin haastavin osa oli magneto-optisen signaalin äärettömän pienten muutosten mittaaminen. Yllätyimme kuitenkin siitä, kuinka selvästi pystyimme lopulta havaitsemaan kytkentäprosessin, kun olimme löytäneet oikean menetelmän", Shimano sanoo.

Heidän tuloksensa oli jotain ennennäkemätöntä: magneettisen kuvion muutoksen visualisointi ruutu ruudulta. Ruudut paljastivat, että kytkentä tapahtuu kahdessa erillisessä prosessissa virran amplitudista riippuen: toinen tapahtuu lämpöprosessin avulla suuren virran alla ja toinen ilman merkittävää lämmitystä heikon virran alla.

Erityisesti jälkimmäinen prosessi voisi tarjota pohjan sovelluksille luotettavien seuraavan sukupolven spintronisten piirien kehittämisessä laskennassa, tietoliikenteessä ja edistyneessä elektroniikassa.

"Nykyinen nopein aikaerotteisen havaintomme Mn₃Sn:n sähköisestä kytkennästä on 140 pikosekuntia, ja sitä rajoittaa pääasiassa se, kuinka lyhyitä virtapulsseja laitekokoonpanossamme voidaan tuottaa. Tuloksemme kuitenkin viittaavat siihen, että materiaali itsessään voisi kytkeytyä vielä nopeammin sopivissa olosuhteissa. Tulevaisuudessa pyrimme tutkimaan näitä äärirajoja luomalla vielä lyhyempiä virtapulsseja ja optimoimalla laitteen rakennetta." päättelee Shimano

Aiheesta aiemmin:

Muistipiireille kymmenkertainen energian säästö

Uusi aikakausi materiaalitieteessä: antiferromagneettiset kvasikiteet

Antiferromagneettinen läpimurto