Un nuovo studio mostra che gli spin elettronici antiparalleli tra due elettrodi creano più capacità degli spin paralleli, che è l'opposto di ciò che si osserva normalmente. Credito:Hideo Kaiju et. al.
condensatori, componenti elettronici che immagazzinano e rilasciano rapidamente una carica, svolgono un ruolo importante in molti tipi di circuiti elettrici. Giocheranno un ruolo altrettanto importante nei dispositivi spintronici di prossima generazione, che sfruttano non solo la carica dell'elettrone, ma anche lo spin, il minuscolo momento magnetico di ciascun elettrone.
Due anni fa, un team internazionale di ricercatori ha dimostrato che manipolando lo spin degli elettroni in corrispondenza di una giunzione tunnel magnetica quantistica, un sandwich su nanoscala composto da due elettrodi metallici con un isolante nel mezzo, potrebbero indurre un grande aumento della capacità della giunzione.
Ora, quello stesso gruppo di ricerca ha capovolto il copione sul fenomeno, nota come magnetocapacità. In un articolo pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici , mostrano che usando materiali diversi per costruire una giunzione tunnel quantistica, sono stati in grado di alterare la capacità manipolando gli spin in modo opposto alla magnetocapacità "normale". Questo effetto inverso, dicono i ricercatori, aggiunge un altro fenomeno potenzialmente utile al toolkit di spintronica.
"Ci dà più spazio per i parametri per progettare dispositivi, " ha detto Gang Xiao, presidente del dipartimento di fisica della Brown e uno dei coautori dell'articolo. "A volte la capacità normale potrebbe essere migliore; a volte l'inverso potrebbe essere migliore, a seconda dell'applicazione. Questo ci dà un po' più di flessibilità".
I magnetocondensatori potrebbero essere particolarmente utili, Xiao dice, nella realizzazione di sensori magnetici per una gamma di diversi dispositivi spintronici, compresi i dischi rigidi dei computer e i chip di memoria ad accesso casuale di nuova generazione.
La ricerca è stata una collaborazione tra il laboratorio di Xiao alla Brown, il laboratorio di Hideo Kaiju e Taro Nagahama all'Università giapponese di Hokkaido e il laboratorio di Osamu Kitakami all'Università di Tohoku.
La struttura cristallina degli elettrodi Fe3O4 e Fe analizzata mediante RHEED (diffrazione elettronica a riflessione ad alta energia). I modelli indicano che Fe3O4 ha la struttura a spinello inverso con lo stesso orientamento cristallino del substrato MgO, mentre il Fe assume struttura policristallina. Credito:Kaiju et. al.
Xiao ha studiato le giunzioni di tunnel magnetici per diversi anni. Le minuscole giunzioni possono funzionare più o meno allo stesso modo dei condensatori nei circuiti standard. L'isolante tra i due elettrodi conduttori rallenta il libero flusso di corrente attraverso la giunzione, creando resistenza e un altro fenomeno, capacità.
Ma ciò che rende le giunzioni tunneling particolarmente interessanti è che la quantità di capacità può essere modificata dinamicamente manipolando gli spin degli elettroni all'interno dei due elettrodi metallici. Gli elettrodi sono magnetici, il che significa che gli elettroni che ruotano all'interno di ciascun elettrodo sono puntati in una particolare direzione. La relativa direzione di rotazione tra due elettrodi determina quanta capacità è presente alla giunzione.
Nel loro lavoro iniziale su questo fenomeno, Xiao e il team di ricerca hanno mostrato quanto grande potrebbe essere il cambiamento di capacità. Utilizzando elettrodi in ferro-cobalto-boro, hanno dimostrato che capovolgendo gli spin da antiparallelo a parallelo, potrebbero aumentare la capacità negli esperimenti del 150 percento. Sulla base di tali risultati, il team ha sviluppato una teoria che prevede che, in condizioni ideali, la variazione di capacità potrebbe effettivamente arrivare fino a 1, 000 per cento.
La teoria suggeriva anche che l'uso di elettrodi realizzati con diversi tipi di metalli avrebbe creato un effetto di magnetocapacità inversa, uno in cui gli spin antiparalleli creano più capacità degli spin paralleli. Questo è esattamente ciò che hanno mostrato in questo ultimo studio.
"Abbiamo usato il ferro per un elettrodo e l'ossido di ferro per l'altro, " Xiao ha detto. "Le proprietà elettriche dei due sono immagini speculari l'uno dell'altro, ecco perché abbiamo osservato questo effetto di magnetocapacità inversa."
Xiao afferma che i risultati non solo suggeriscono uno spazio di parametri più ampio per l'uso della magnetocapacità nei dispositivi spintronici, forniscono anche importanti verifiche per la teoria che gli scienziati usano per spiegare il fenomeno.
"Ora vediamo che le teorie si adattano bene all'esperimento, quindi possiamo essere sicuri nell'uso dei nostri modelli teorici per massimizzare questi effetti, o l'effetto "normale" o l'effetto inverso che abbiamo dimostrato qui, " disse Xiao.
