Een nieuw mechanisme maakt de elektrische controle van de magnetisatie in magnetische nanodevices mogelijk

De ontwikkeling van innovatieve magnetische nanodevices is een stap dichter bij de realiteit dankzij de waarneming door RIKEN-fysici van een soort rotatie die kan worden gerealiseerd in materialen die bestaan ​​uit lichte elementen.

De mogelijkheid om elektrische stromen te gebruiken om draaiende mechanische onderdelen te laten draaien, leidde tot de ontwikkeling van elektromotoren en veroorzaakte een explosie in elektrische apparaten. Nu proberen natuurkundigen hetzelfde te doen, maar dan op nanoschaal. De ontwikkeling van innovatieve magnetische nanodevices vereist echter de efficiënte elektrische opwekking van rotatie of koppel.

Gewoonlijk wordt koppel gegenereerd in magnetische systemen door elektrische lading om te zetten in spin door gebruik te maken van de sterke spin-baan interactie van een zwaar metaallaag. De resulterende spinstroom wordt vervolgens geïnjecteerd in aangrenzende ferromagnetische lagen. Maar materialen met zware elementen zijn vaak niet compatibel met schaalbare productieprocessen en hun hoge weerstand maakt ze ongeschikt voor sommige toepassingen.

Een recent theoretisch voorstel suggereerde dat koppel zou kunnen worden geproduceerd door een orbitaal impulsmoment in ferromagnetische lagen te injecteren. Het orbitale impulsmoment kan worden gegenereerd door een elektrische stroom door lichtelementmaterialen te leiden. Het kan vervolgens worden omgezet in spin door de spin-baan interactie van een ferromagnetische laag. Dit type koppel wordt orbitaal koppel genoemd en kan in grootte vergelijkbaar zijn met het koppel dat wordt geïnduceerd door spin-injectie.

Nu hebben Junyeon Kim, YoshiChika Otani en medewerkers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, samen met internationale medewerkers, zo’n efficiënte koppelgeneratie gerealiseerd in drielaagse systemen bestaande uit een ferromagnetische laag, een koperlaag en een aluminiumoxide ( Al₂O₃) laag.

In dit systeem wordt het orbitale impulsmoment gegenereerd op het koper-aluminiumoxide-grensvlak en vervolgens door de koperlaag naar de ferromagnetische laag getransporteerd, waar het wordt omgezet in spin.

Hoewel de efficiëntie van het genereren van koppel van dit systeem wedijverde met die in materialen die zware elementen bevatten, is de onderliggende fysica fundamenteel anders. Het team ontdekte dat de efficiëntie van het genereren van koppel twee orden van grootte varieerde wanneer verschillende ferromagnetische lagen werden gebruikt. Dit is heel anders dan het gedrag van spin-injectiesystemen, wat bevestigt dat er een nieuw type koppel aan het werk is.

Een CoFe / Cu / Al₂O₃ drielaags systeem – het systeem dat de beste resultaten opleverde – vertoonde een effectieve spin Hall-geleiding, die evenredig is met de efficiëntie van het genereren van koppel, tien keer groter dan die waargenomen in materialen met zware elementen. Deze uitzonderlijke spingeleidbaarheid vertaalt zich in een energiezuinige werking van het apparaat en een hoge cyclustijd dankzij een lagere productie van afvalwarmte. Deze resultaten verbreden de materiaalkeuzes voor magnetische nanodevices, beloven opmerkelijke efficiënties en de mogelijkheid van massaproductie.