Natuurkundigen wisselen van magnetische toestand met behulp van spinstroom

Een illustratie toont de onconventionele lading voor spintransductie in een kwantummateriaal met een laagsymmetrische kristalstructuur. (Links) Een model dat de kristalstructuur van WTe . toont₂, waarbij a-as en b-as zijn gelabeld. Het kristal is invariant (niet-invariant) bij een bc (ac) spiegeloperatie. (Rechtsboven) Wanneer een laadstroom (weergegeven door een gele pijl) langs de b-as wordt aangelegd, is er alleen een component van spinpolarisatie in het vlak, zoals weergegeven door groene pijlen. (Rechtsonder) Aan de andere kant, wanneer een laadstroom wordt aangelegd langs de a-as, is er een component buiten het vlak van de spinpolarisatie zoals aangegeven door groene pijlen. Deze out-of-plane georiënteerde spinstroom wordt gebruikt om de magnetisatie in dit werk om te schakelen. Krediet: Carnegie Mellon University

Toen de promovendi van Carnegie Mellon University I-Hsuan Kao en Ryan Muzzio gingen samenwerken, ging er een knop om. Dan af.

Kao, Muzzio en andere onderzoekspartners werkten in het Department of Physics’ Lab for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices (LIQUID) Group, en konden proof-of-concept laten zien dat het laten lopen van een elektrische stroom door een nieuw tweedimensionaal materiaal de magnetische toestand van een naburig magnetisch materiaal zonder de noodzaak van het aanleggen van een extern magnetisch veld.

Het baanbrekende werk, dat werd gepubliceerd in Natuurmaterialen in juni en heeft een gerelateerd patent aangevraagd, heeft potentiële toepassingen voor gegevensopslag in consumentenproducten zoals digitale camera’s, smartphones en laptops.

“Wat we hier doen, is ultradunne materialen gebruiken – vaak de dikte van een paar atomen – en ze op elkaar stapelen om hoogwaardige apparaten te maken”, zegt Kao (rechts), de eerste auteur van het papier.

Simranjeet Singh, een assistent-professor natuurkunde en Jyoti Katoch, een assistent-professor natuurkunde, houden toezicht op de LIQUID Group, die de intrinsieke fysische eigenschappen van tweedimensionale kwantummaterialen zoals wolfraamditelluride (WTe₂) en hun elektronische en spingerelateerde eigenschappen.

“Spins en magnetisme zijn overal om ons heen”, zei Singh. “Atomen configureren op een bepaalde manier op een atoomrooster dat op zijn beurt materiaaleigenschappen dicteert. Voor WTe₂het heeft een kristalstructuur met een lage symmetrie waarmee we een speciaal soort spinstroom kunnen genereren door een elektrisch veld aan te leggen.”

De manier waarop atomen zijn geconfigureerd in WTe₂ zorgt voor een out-of-plane georiënteerde spinstroom die op zijn beurt kan worden gebruikt om de magnetisatietoestand van een magneet te regelen. Singh zei dat om de magnetische toestand (omhoog of omlaag) van de meeste magnetische materialen te veranderen met behulp van spinstroom die tot nu toe is bestudeerd, een magnetisch veld horizontaal of in het vlak wordt aangelegd. Het hebben van een materiaal dat magnetisme kan veranderen zonder dat een extern magnetisch veld nodig is, kan leiden tot energie-efficiënte gegevensopslag en logische apparaten.

Het werk kan worden toegepast op magnetoresistieve random-access memory (MRAM)-apparaten, die het potentieel hebben om snelle en dicht opeengepakte gegevensopslagbits te realiseren terwijl ze minder stroom verbruiken.

“Mensen kunnen dit al doen, je kunt een materiaal nemen, een elektrisch veld toepassen om in het vlak georiënteerde spinstroom te genereren en het gebruiken om de magnetisatie van een opwaartse toestand naar een neerwaartse toestand of vice versa te schakelen, maar het vereist een externe magnetisch veld,” zei Muzzio (links). “Waar dit op neerkomt, is het vinden van een materiaal met de intrinsieke eigenschap die symmetrie doorbreekt.”

Kao bracht expertise op het gebied van magnetisme, terwijl Muzzio begreep hoe de apparaten te bouwen en het gedrag van elektronen in materiële systemen te bestuderen. Om aan te tonen dat het gedrag reproduceerbaar was, hebben Kao en Muzzio in twee jaar tijd meer dan 20 apparaten gemaakt.

De eenvoudige apparaten zijn minuscuul en maken het mogelijk om een ​​schakelaar in een opwaartse of een neerwaartse positie te draaien, denk eraan als nullen en enen in binair getal, zei Kao. Hoewel de apparaten 3-50 micron lang of breed kunnen zijn, is de dikte kleiner dan 1/200ste van een mensenhaar.

“We hebben net het oppervlak bekrast van wat dit materiaal kan doen,” zei Muzzio. “Er is zoveel meer parameterruimte voor ons om te verkennen en zoveel manieren om dit materiaal te gebruiken. Dit is nog maar het begin.”