Elektronien orbitaalit unelmamuistin perustaksi

Tutkimustyö "unelmamuistin" kehittämiseksi on käynnissä. Sellainen voi vähentää lämmöntuotantoa älypuhelimissa ja kannettavissa tietokoneissa samalla, kun se tarjoaa nopeamman suorituskyvyn ja alhaisemman virrankulutuksen.

Korealaiset tutkijat ovat nyt ehdottaneet uutta mahdollisuutta magnetismin hallitsemiseksi käyttämällä elektroniorbitaalien vaihtovuorovaikutusta sen sijaan, että luotettaisiin perinteiseen elektronispinin vaihtovuorovaikutukseen.

KAISTin professori Kyung-Jin Leen ja Yonsein yliopiston professori Kyoung-Whan Kimin johtama yhteinen tutkimusryhmä on ensimmäistä kertaa maailmassa luonut uuden teoreettisen viitekehyksen, joka mahdollistaa magnetismin vapaan hallinnan orbitaalisen vaihtovuorovaikutuksen avulla.

Orbitaalivaihtovuorovaikutuksessa atomin ytimen ympäri liikkuvien elektronien muodostamat orbitaalit ovat vuorovaikutuksessa keskenään ja vaikuttavat siten magnetismin suuntaan tai ominaisuuksiin.

Tähän asti seuraavan sukupolven muistitutkimus on keskittynyt pääasiassa elektronien spinien suuntautumisiin. Elektronit kuitenkin liikkuvat samanaikaisesti atomin ytimessä orbitaaliratojaan pitkin.

Tässä tutkimuksessa tutkimusryhmä osoitti teoreettisesti, että sähkövirran kulkiessa elektronien orbitaalienergia on suorassa vuorovaikutuksessa magneettisten materiaalien orbitaalien kanssa, mikä mahdollistaa informaation siirron. Tämän mekanismin avulla vahvistettiin, että magneettien ominaisuuksia voidaan muuttaa paljon tehokkaammin kuin perinteisillä spin-pohjaisilla menetelmillä.

Tämän tutkimuksen merkittävin tulos on havainto, että sähkövirta ei ainoastaan muuta magneetin suuntaa, vaan se voi myös muuttaa itse magneetin ominaisuuksia, kuten magneettista anisotropiaa (magneettisuuden ensisijaista suuntaa) ja kierto-ominaisuuksia.

Tutkimusryhmän laskelmat osoittivat erityisesti, että orbitaalipohjaiset säätövaikutukset voisivat olla huomattavasti voimakkaampia kuin olemassa olevat spin-pohjaiset menetelmät. Tämä havainto viittaa orbitaalipohjaisten elektronisten piirien tulevaan aikakauteen, jossa orbitaaleilla eikä spineillä on keskeinen rooli puolijohdekomponenteissa. Tutkijat ehdottivat myös käytännön kokeellisia menetelmiä näiden vaikutusten mittaamiseksi, minkä odotetaan lisäävän teollisten sovellusten potentiaalia.

Periaate saattaa soveltua myös altermagneettisiin materiaaleihin, jotka ovat viime aikoina herättäneet merkittävää huomiota akateemisessa maailmassa. Altermagnetismi viittaa magneettiseen materiaaliin, jossa atomien sisällä olevat elektronispinit ovat järjestäytyneet vuorotellen järjestyneeseen kuvioon.

Vaikka nämä materiaalit eivät näytä ulkoisesti magneettisilta, ne vaikuttavat voimakkaasti elektronien liikkeeseen. Tämän ominaisuuden ansiosta ne mahdollistavat elektronitilojen tarkan hallinnan ja niitä pidetään lupaavina nopeille, pienen tehonkäytön puolijohderakenteille ja seuraavan sukupolven muistiteknologioille. Tutkimus tarjoaa siksi vahvan teoreettisen perustan tulevien logiikka- ja muistilaitteiden kehittämiselle.

Aiheesta aiemmin:

Ovi aukeaa hypertehokkaille orbitronisille laitteille

Uusi tapa hallita kvanttihiukkasia kiinteissä aineissa

Elektronin unohdettu ominaisuus