Kryogeenisien rakenteiden sähköistä kytkentää

Intian tiedeinstituutin (IISc) tutkijat ovat osoittaneet uuden tavan vaihtaa materiaalia kahden perustavanlaatuisesti erilaisen magneettisen tilan välillä sähkövirran avulla.

Löytö voisi tasoittaa tietä kompakteille ja energiatehokkaille elektronisille piireille, jotka tallentavat informaatiota, suorittavat loogisia operaatioita ja ovat jopa yhteydessä tulevaisuuden kvanttitietokoneisiin.

Nature Communications -lehdessä julkaistua työtä johtivat apulaisprofessori Bhagwati Prasad yhdessä tohtoriopiskelijan Suryakanta Mondalin sekä kansallisten ja kansainvälisten yhteistyökumppaneiden ryhmän kanssa.

Monet magneettimuistitekniikat perustuvat materiaalin magnetisoitumissuunnan muuttamiseen. Tässä tutkimuksessa tutkimusryhmä ei kuitenkaan pelkästään muuttanut magnetisoitumissuuntaa, vaan käytti sähkövirtaa materiaalin täydelliseen muuttamiseen yhdestä magneettisesta tilasta toiseen.

Tutkijat tutkivat Sm₁₋ₓSrₓMnO₃-nimistä monimutkaista oksidia, jonka tiedetään sisältävän useita magneettisia tiloja. "Alkuperäinen motivaatiomme oli selvittää, voitaisiinko läheisesti kilpailevia magneettisia tiloja ohjata suoraan sähkövirralla", Mondal selittää.

Pienellä virralla materiaali on ferromagneettisessa tilassa, jossa sen atomien magneettiset momentit ovat pääosin samansuuntaiset. Tässä tilassa sähkövirta kulkee helposti ja resistanssi on pieni. Mutta kun käytetty virta ylitti kriittisen arvon, materiaali siirtyi äkillisesti antiferromagneettiseen tilaan, jossa vierekkäiset magneettiset momentit osoittavat yleensä vastakkaisiin suuntiin. Tässä tilassa on paljon suurempi sähköinen resistanssi.

Tutkimusryhmä osoitti, että tämä sähköisesti ohjattu siirtymä on palautuva ja siihen liittyy pitkän kantaman ferromagneettisen järjestyksen romahdus ja materiaalin elektroniorbitaalien uudelleenjärjestyminen. Tämä tekee kytkimestä erilaisen kuin tavanomainen lämmitys tai tavanomaisen virtaohjatun magnetisaation kääntämisen.

"Pohjimmiltaan uutta on se, että sähkövirta ei ainoastaan kierrä magnetointia, vaan se muuttaa itse materiaalin magneettista faasia", Prasad sanoo. "Tämä antaa meille kaksi selvästi erotettavissa olevaa resistanssitilaa, jotka voivat olla hyödyllisiä kryogeenisessä muistissa ja logiikkateknologioissa."

Tutkijat käyttivät sitten materiaalia nanomittakaavan tunnelirakenteiden valmistukseen. Niillä esiintyi kaksi vakaata resistanssitilaa, joiden magneettinen resistanssi ylitti 200 %. Kytkentää voitiin ohjata sähkövirralla, lämpötilalla ja magneettikentällä.

Koska vaikutus on voimakkain matalissa lämpötiloissa, löytö on erityisen lupaava kryogeenisille muisti- ja logiikkapiireille, jotka voivat tukea kvanttilaskenta-alustoja, jotka toimivat tyypillisesti erittäin matalissa lämpötiloissa.

Tutkijat aikovat nyt työskennellä kytkentään tarvittavan virran ja energian vähentämiseksi, laitteen mukauttamiseksi laajalle käyttölämpötila-alueelle ja näiden rakenteiden integroimiseksi suurempiin kryogeenisiin muisti- ja logiikkapiireihin. Tämä voisi johtaa uuden sukupolven pienen tehonkäytön elektronisiin ja kvanttilaitteisiin kertovat tutkijat tiedotteessaan.

Aiheesta aiemmin:

Antiferromagneetit ja nemaattinen faasi

Tavallinen kide ihanteellinen kryogeenisen lämpötilan valotekniikalle

Kvanttiprosessorilla toteutettu aineen eksoottinen faasi