Elektronen in actie vangen in een antiferromagnetische nanodraad

Het elektron is een van de fundamentele deeltjes in de natuur waarover we op school lezen. Zijn gedrag bevat aanwijzingen voor nieuwe manieren om digitale gegevens op te slaan.

In een studie gepubliceerd in Nano Lettersverkennen natuurkundigen van de Michigan Technological University alternatieve materialen om de capaciteit te verbeteren en de omvang van digitale gegevensopslagtechnologieën te verkleinen. Ranjit Pati, hoogleraar natuurkunde aan Michigan Tech, leidde de studie en legt de fysica uit achter het nieuwe nanodraadontwerp van zijn team.

“Dankzij een eigenschap die spin heet, gedragen elektronen zich als kleine magneten,” zei Pati. “Vergelijkbaar met hoe de magnetisatie van een staafmagneet dipolair is, wijzend van zuid naar noord, hebben de elektronen in een materiaal magnetische dipoolmomentvectoren die de magnetisatie van het materiaal beschrijven.”

Als deze vectoren willekeurig zijn georiënteerd, is het materiaal niet-magnetisch. Wanneer ze parallel aan elkaar zijn, wordt dit ferromagnetisme genoemd en antiparallelle uitlijningen zijn antiferromagnetisme. De huidige technologie voor gegevensopslag is gebaseerd op ferromagnetische materialen, waarbij de gegevens worden opgeslagen in kleine ferromagnetische domeinen. Dit is de reden waarom een ​​magneet die sterk genoeg is, een mobiele telefoon of andere elektronische opslag kan verknoeien.

Uitdagingen voor gegevensopslag

Afhankelijk van de magnetisatierichting (of deze nu naar boven of naar beneden wijst), worden gegevens geregistreerd als bits (een 1 of 0) in ferromagnetische domeinen. Er zijn echter twee knelpunten, en beide hangen af ​​van nabijheid. Breng eerst een externe magneet te dichtbij, en het magnetische veld kan de richting van magnetische momenten in het domein veranderen en het opslagapparaat beschadigen. En ten tweede hebben de domeinen elk een eigen magnetisch veld, zodat ze ook niet te dicht bij elkaar kunnen zijn. De uitdaging met kleinere, flexibelere en veelzijdigere elektronica is dat ze apparaten nodig hebben die het moeilijker maken om ferromagnetische domeinen veilig uit elkaar te houden.

“Het inpakken van gegevens met een ultrahoge dichtheid zou een ontmoedigende taak zijn met ferromagnetische geheugendomeinen,” zei Pati. “Antiferromagnetische materialen daarentegen zijn vrij van deze problemen.”

Op zichzelf zijn antiferromagnetische materialen niet geweldig voor elektronische apparaten, maar ze worden niet beïnvloed door magnetische velden van buitenaf. Dit vermogen om magnetische manipulatie te weerstaan, kreeg meer aandacht van de onderzoeksgemeenschap en Pati’s team gebruikte een voorspellende kwantum-veel-lichamen-theorie die rekening houdt met elektron-elektron-interacties. Het team ontdekte dat met chroom gedoteerde nanodraden met een germaniumkern en siliciumomhulsel een antiferromagnetische halfgeleider kunnen zijn.

Antiferromagnetisme

Verschillende onderzoeksgroepen hebben onlangs de manipulatie van individuele magnetische toestanden in antiferromagnetische materialen aangetoond met behulp van elektrische stroom en lasers. Ze observeerden de spindynamiek in de terahertz-frequentie – veel sneller dan de frequentie die wordt gebruikt in onze huidige gegevensopslagapparaten. Deze waarneming heeft een overvloed aan onderzoeksinteresses op het gebied van antiferromagnetisme geopend en zou kunnen leiden tot snellere gegevensopslag met een hogere capaciteit.

“In ons recente werk hebben we met succes de intrigerende eigenschappen van een antiferromagneet gebruikt in een laag-dimensionale, complementaire metaaloxide compatibele halfgeleider (CMOS) nanodraad zonder de halfgeleidende eigenschap van de nanodraad te vernietigen,” zei Pati. “Dit opent mogelijkheden voor kleinere en slimmere elektronica met een hogere capaciteit voor gegevensopslag en -manipulatie.”

Pati voegt eraan toe dat het meest opwindende deel van het onderzoek voor zijn team het blootleggen van het mechanisme was dat antiferromagnetisme dicteert. Het mechanisme wordt superexchange genoemd en het regelt de spin van elektronen en de antiparallelle uitlijning waardoor ze antiferromagnetisch worden. In de nanodraad van het team fungeren germaniumelektronen als een tussenpersoon, een uitwisselaar, tussen niet-verbonden chroomatomen.

“De interactie tussen de magnetische toestanden van de chroomatomen wordt gemedieerd door de tussenliggende atomen waaraan ze zijn gebonden. Het is een coöperatief magnetisch fenomeen,” zei Pati. “Laten we op een eenvoudige manier zeggen dat er twee mensen A en B zijn: ze zijn ver uit elkaar en kunnen niet rechtstreeks communiceren. Maar A heeft een vriend C en B heeft een vriend D. C en D zijn goede vrienden. Dus, A en B kan indirect communiceren via C en D. “

Door beter te begrijpen hoe elektronen communiceren tussen atoomvrienden, kunnen meer experimenten worden uitgevoerd om het potentieel van materialen zoals met chroom gedoteerde nanodraden te testen. Een beter begrip van de antiferromagnetische aard van het germanium-silicium nanodraadmateriaal is wat het potentieel voor kleinere, slimmere elektronica met een hogere capaciteit vergroot.