Regelen van magnetisatierichting van magnetiet bij kamertemperatuur

In de afgelopen decennia heeft conventionele elektronica snel zijn technische limieten bereikt in computer- en informatietechnologie, en vraagt ​​om innovatieve apparaten die verder gaan dan alleen het manipuleren van elektronenstroom. In dit opzicht is spintronica, de studie van apparaten die de “spin” van elektronen gebruiken om functies uit te voeren, een van de meest populaire gebieden in de toegepaste fysica. Maar het meten, wijzigen en in het algemeen werken met deze fundamentele kwantumeigenschap is geen sinecure.

Huidige spintronische apparaten – bijvoorbeeld magnetische tunnelovergangen – hebben te kampen met beperkingen, zoals een hoog stroomverbruik, lage bedrijfstemperaturen en ernstige beperkingen bij de materiaalkeuze. Daartoe heeft een team van wetenschappers van de Tokyo University of Science en het National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, onlangs een studie gepubliceerd in ACS Nano, waarin ze een verrassend eenvoudige maar efficiënte strategie presenteren om de magnetisatiehoek in magnetiet (Fe₃O₄), een typisch ferromagnetisch materiaal. Het team vervaardigde een volledig vaste reductie-oxidatie (“redox”) transistor met een dunne laag Fe₃O₄ op magnesiumoxide en een lithiumsilicaatelektrolyt gedoteerd met zirkonium (afb. 1). Het inbrengen van lithiumionen in de vaste elektrolyt maakte het mogelijk rotatie van de magnetisatiehoek bij kamertemperatuur te bereiken en de dichtheid van de elektronendragers aanzienlijk te veranderen. Universitair hoofddocent Tohru Higuchi van de Tokyo University of Science, een van de auteurs van dit gepubliceerde artikel, zegt: ‘Door een spanning aan te leggen om lithiumionen in een vaste elektrolyt in een ferromagneet te brengen, hebben we een spintronisch apparaat ontwikkeld dat de magnetisatie met lagere stroomverbruik dan dat in magnetisatierotatie door spinstroominjectie. Deze magnetisatierotatie wordt veroorzaakt door de verandering van spin-orbit-koppeling als gevolg van elektroneninjectie in een ferromagneet. “

In tegenstelling tot eerdere pogingen waarbij gebruik werd gemaakt van sterke externe magnetische velden of het injecteren van op spin afgestemde stromen, maakt de nieuwe benadering gebruik van een omkeerbare elektrochemische reactie. Na het aanleggen van een externe spanning migreren lithiumionen van de bovenste lithiumkobaltoxide-elektrode en door de elektrolyt voordat ze het magnetische Fe bereiken₃O₄ laag. Deze ionen dringen zichzelf vervolgens in de magnetietstructuur in en vormen Li_XFe₃O₄ en het veroorzaken van een meetbare rotatie in zijn magnetisatiehoek als gevolg van een verandering in ladingsdragers.

Door dit effect konden de wetenschappers de magnetisatiehoek omkeerbaar veranderen met ongeveer 10 °. Hoewel een veel grotere rotatie van 56 ° werd bereikt door de externe spanning verder te verhogen, ontdekten ze dat de magnetisatiehoek niet volledig kon worden teruggeschakeld (Fig. 2). “We hebben vastgesteld dat deze onomkeerbare magnetisatiehoekrotatie werd veroorzaakt door een verandering in de kristallijne structuur van magnetiet als gevolg van een teveel aan lithiumionen”, legt Higuchi uit, “Als we dergelijke onomkeerbare structurele veranderingen zouden kunnen onderdrukken, zouden we een aanzienlijk grotere magnetisatierotatie kunnen bereiken. . “

Het nieuwe apparaat dat door de wetenschappers is ontwikkeld, vertegenwoordigt een grote stap in de beheersing van magnetisatie voor de ontwikkeling van spintronische apparaten. Bovendien is de structuur van de inrichting relatief eenvoudig en gemakkelijk te vervaardigen. Dr. Takashi Tsuchiya, hoofdonderzoeker bij NIMS, de corresponderende auteur van de studie, zegt: “Door de magnetisatierichting bij kamertemperatuur te regelen door het inbrengen van lithiumionen in Fe₃O₄hebben we het mogelijk gemaakt om te werken met een veel lager energieverbruik dan de magnetisatierotatie door spinstroominjectie. Het ontwikkelde element werkt met een eenvoudige structuur. “

Hoewel er nog meer moet worden gedaan om volledig te profiteren van dit nieuwe apparaat, zal de aanstaande opkomst van spintronica zeker veel nieuwe en krachtige toepassingen ontgrendelen. “In de toekomst zullen we proberen een rotatie van 180 ° in de magnetisatiehoek te bereiken”, zegt Dr. Kazuya Terabe, hoofdonderzoeker bij het International Center for Materials Nanoarchitectonics bij NIMS en een co-auteur van de studie. laten we spintronische geheugenapparaten met hoge dichtheid maken met een grote capaciteit en zelfs neuromorfe apparaten die biologische neurale systemen nabootsen. ‘ Enkele andere toepassingen van spintronica bevinden zich in het felbegeerde gebied van quantum computing.

Alleen de tijd zal uitwijzen wat deze grensverleggende technologie voor ons in petto heeft!