Orbitroniikassa saavutettu virstanpylväs

Johannes Gutenbergin yliopisto Mainzin (JGU) tutkijat ovat ensimmäisiä, jotka hyödyntävät suoraan ratavirtoja ilman, että ratavirtaa tarvitsee muuntaa spinvirraksi. ”Olemme näin toteuttaneet ensimmäisen puhtaasti orbitroniseen piirirakenteeseen perustuvan lähestymistavan”, sanoo tohtori Christin Schmitt.

Orbitroniikka on lupaava teknologia tulevaisuuden muistipiireille, sillä se voisi mahdollistaa laajamittaisten tallennusrakenteiden toteuttamisen erittäin alhaisella energiankulutuksella. Se perustuu ratamomentteihin, joita voidaan yksinkertaistetusti kuvata elektronien kvanttimekaanisiksi ”pyörteiksi” atomiytimien ympärillä, sekä ratavirtoihin eli näiden kiertojen liikkeeseen sähköjohteissa.

”Ensimmäistä kertaa olemme pystyneet kytkemään liikkuvia ratamomentteja suoraan paikallisiin ratamomentteihin magneetissa. Näin tehdessämme olemme saavuttaneet virstanpylvään orbitroniikassa ja luoneet perustan huomattavasti energiatehokkaammalle datantallennukselle. Tällä tavoin saamme signaaleja, jotka ovat kaksi kertaluokkaa vahvempia kuin perinteisissä spintronisissa rakenteissa”, Schmitt sanoo.

Mallijärjestelmänä tiimi käytti kobolttioksidia eristävänä antiferromagneettina kuparikerroksen kanssa, joka reagoi pinnalla muodostaen kuparioksidia. Oli jo tiedossa, että orbitaalivirrat muodostuvat kupari-kuparioksidikerrokseen ja etenevät kohti kobolttioksidia.

Tutkimusryhmä vertasi järjestelmäänsä kobolttioksidi/platina-järjestelmään, jossa informaatiota voidaan tallentaa ja lukea käyttämällä puhtaita spinvirtoja. ”Orbitronisen järjestelmän avulla pystyimme kasvattamaan tuloksena olevaa signaalia kahdella kertaluokalla verrattuna puhtaiden spinvirtojen tuottamaan signaaliin”, Schmitt tiivisti tutkimuksen tulokset.

Tutkimusryhmän vanhempi jäsen, tohtori Sachin Krishnia, korosti, että vaikutus ei ole ainoastaan voimakkaampi, vaan myös perustavanlaatuisesti erilainen fysikaalisesti: ”Signaalin suuruuden lisäksi ratkaisevaa on, että orbitaalivirta vuorovaikuttaa kobolttioksidin kanssa täysin eri tavalla. Se ei ainoastaan jäljittele spinvirtaa, vaan pikemminkin se näyttää aktivoivan antiferromagneetin piileviä ominaisuuksia.

Tämä tekee orbitaalimagnetismista aktiivisen vapaudenasteen tulevaisuuden piirirakenteille.” Schmitt näkee huomattavaa potentiaalia tulevaisuuden sovelluksille: ”Vahvojen orbitaaliominaisuuksien omaavat antiferromagneettiset materiaalit muodostavat siksi hyvän alustan tulevaisuuden orbitaalilaitteille.

Aiheesta aiemmin:

Ovi aukeaa hypertehokkaille orbitronisille laitteille

Elektronien orbitaalit unelmamuistin perustaksi

Elektronin unohdettu ominaisuus