Figura 1:I fisici RIKEN hanno dimostrato un nuovo metodo per controllare elettricamente (indicato da E) la magnetizzazione (M) di uno strato ferromagnetico (banda grigia). Si tratta di iniettare momento angolare orbitale (L, frecce rosse) da uno strato non magnetico (banda arancione) allo strato ferromagnetico, che genera la coppia orbitale (OT), che a sua volta ruota la magnetizzazione. Credito:figura adattata, con permesso, dal Rif. 1. Protetto da copyright dell'American Physical Society
Lo sviluppo di nanodispositivi magnetici innovativi è un passo più vicino alla realtà grazie all'osservazione da parte dei fisici RIKEN di un tipo di rotazione che può essere realizzato in materiali costituiti da elementi leggeri.
La capacità di utilizzare correnti elettriche per trasformare parti meccaniche rotanti ha portato allo sviluppo di motori elettrici e ha causato un'esplosione nei dispositivi elettrici. Ora, i fisici stanno cercando di fare la stessa cosa, ma su scala nanometrica. Però, lo sviluppo di nanodispositivi magnetici innovativi richiede l'efficiente generazione elettrica della rotazione, o coppia.
Generalmente, la coppia viene generata nei sistemi magnetici convertendo la carica elettrica in spin utilizzando la forte interazione spin-orbita di uno strato di metalli pesanti. La corrente di spin risultante viene quindi iniettata in strati ferromagnetici adiacenti. Ma i materiali pesanti sono spesso incompatibili con processi di produzione scalabili, e la loro elevata resistenza li rende inadatti per alcune applicazioni.
Una recente proposta teorica ha suggerito che la coppia potrebbe essere prodotta iniettando momento angolare orbitale in strati ferromagnetici. Il momento angolare orbitale può essere generato facendo passare una corrente elettrica attraverso i materiali degli elementi leggeri. Può quindi essere convertito in spin dall'interazione spin-orbita di uno strato ferromagnetico. Questo tipo di coppia è chiamata coppia orbitale, e può essere simile in grandezza alla coppia indotta dall'iniezione di spin.
Ora, Junyeon Kim, YoshiChika Otani e collaboratori del RIKEN Center for Emergent Matter Science, insieme a collaboratori internazionali, hanno realizzato una generazione di coppia così efficiente in sistemi a tre strati composti da uno strato ferromagnetico, uno strato di rame e un'allumina (Al 2 oh 3 ) strato.
In questo sistema, il momento angolare orbitale è generato all'interfaccia rame-allumina e quindi trasportato dallo strato di rame allo strato ferromagnetico, dove viene convertito in spin.
Mentre l'efficienza di generazione della coppia di questo sistema rivaleggiava con quella dei materiali contenenti elementi pesanti, la fisica sottostante è fondamentalmente diversa. Il team ha scoperto che l'efficienza di generazione della coppia variava di due ordini di grandezza quando venivano utilizzati diversi strati ferromagnetici. Questo è molto diverso dal comportamento dei sistemi di spin-iniezione, confermando che un nuovo tipo di coppia è all'opera.
Un CoFe/Cu/Al 2 oh 3 sistema a tre strati, quello che ha dato i migliori risultati, ha mostrato un'efficace conduttività di spin Hall, che è proporzionale all'efficienza di generazione della coppia, dieci volte più grande di quello osservato nei materiali ad elementi pesanti. Questa eccezionale conduttività di rotazione si tradurrà in un funzionamento del dispositivo efficiente dal punto di vista energetico e un'elevata ciclabilità grazie alla minore produzione di calore di scarto. Questi risultati ampliano la scelta dei materiali per i nanodispositivi magnetici, promettendo notevoli efficienze e possibilità di produzione in serie.
