Un team di ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) e del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha determinato come utilizzare gli ioni idrogeno, "pompato" dall'acqua nell'aria a temperatura ambiente, per controllare elettricamente il magnetismo all'interno di un campione molto sottile di materiale magnetico. Questo approccio per la manipolazione delle proprietà magnetiche potrebbe accelerare i progressi nell'informatica, sensori, e altre tecnologie.

La ricerca, descritto nel 12 novembre, 2018, edizione online di Materiali della natura , è stata eseguita in parte alla National Synchrotron Light Source II di Brookhaven (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE. Le misure, scattata alla linea di luce Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) di NSLS-II, erano fondamentali nel rivelare il meccanismo microscopico coinvolto, in particolare la presenza di ioni idrogeno all'interno del campione e il loro ruolo nei cambiamenti della struttura magnetica del campione.

Verso la spintronica mainstream

Tra le diverse possibili applicazioni di questa ricerca c'è il suo potenziale per diventare una nuova piattaforma per lo sviluppo del campo della spintronica, dispositivi basati non solo sulla carica elettronica ma anche sulla rotazione elettronica, la proprietà intrinseca di un elettrone che lo fa agire come un minuscolo magnete.

A differenza dell'elettronica standard, che si basano sulla tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) (utilizzata per realizzare ciascuno dei miliardi di transistor in un microchip), i dispositivi spintronici sono costruiti su materiali magnetici, che contengono atomi magnetici come ferro o manganese. I dispositivi Spintronics possono mantenere le loro proprietà magnetiche senza un'alimentazione costante, a differenza dei microchip standard, e, perché generano molto meno calore, sono più efficienti dal punto di vista energetico.

"Mentre le tecnologie CMOS si avvicinano alla fine della loro roadmap, i dispositivi basati su spin sono ampiamente perseguiti per l'era oltre il CMOS, " ha detto il ricercatore capo dello studio, Geoffrey Beach del MIT, un professore di scienza e ingegneria dei materiali e co-direttore del MIT Materials Research Laboratory. "Uno dei requisiti per portare la spintronica nel mainstream è un modo efficace per controllare elettricamente il magnetismo. In sostanza, stiamo cercando di creare un analogo magnetico di un transistor."

Un approccio per ottenere questo controllo consiste nell'inserire ioni nella struttura che possono muoversi tra gli strati e modulare il suo comportamento elettromagnetico. Questo è chiamato commutazione magneto-ionica. I ricercatori hanno già prodotto risultati promettenti, ma i tipi di ioni utilizzati nelle ricerche precedenti causavano più problemi di quanti ne risolvessero. In questo studio, il team è stato in grado di porre rimedio ad alcuni di questi problemi utilizzando gli ioni idrogeno (H+), che sono relativamente innocui e anche gli ioni più piccoli possibili, rendendoli ideali per indurre rapidi cambiamenti guidati dal campo elettrico nelle strutture a stato solido.

"La commutazione magneto-ionica è un percorso importante verso la manipolazione elettrica del magnetismo a bassa potenza, " ha detto il ricercatore capo Brookhaven Wen Hu, uno scienziato della linea di luce presso la linea di luce CSX. "Migrazione di ioni di idrogeno, controllato da tensioni elettriche, svolge un ruolo chiave in questa ricerca e potrebbe potenzialmente portare a nuove applicazioni per dispositivi spintronici".

I raggi X confermano la pompa protonica

I ricercatori hanno dimostrato l'uso di ioni idrogeno per la commutazione magneto-ionica reversibile in una struttura a strati costituita da una base di platino, cobalto, palladio, ossido di gadolinio, e un contatto d'oro per completare il tutto. Il palladio (Pd) è ben noto per la sua capacità di immagazzinare idrogeno negli "angoli" del suo reticolo atomico. Posizionando una tensione attraverso il campione, e alternando una tensione positiva e negativa, può pompare idrogeno dentro e fuori dallo strato di Pd, commutando il magnetismo avanti e indietro da fuori piano a in piano. Questa è la prima volta che gli scienziati hanno dimostrato l'"idrurazione" reversibile di un metallo pesante.

Per verificare che l'idrogeno sia stato inserito nello strato di Pd, il gruppo ha eseguito la spettroscopia di assorbimento dei raggi X (XAS) presso la linea di luce CSX. CSX offre ai ricercatori strumenti di diffusione e imaging di raggi X molli all'avanguardia, ed è stato progettato per studiare la struttura elettronica e i comportamenti dei materiali compositi. Con XAS, i ricercatori possono determinare la struttura elettronica locale attorno a elementi specifici nel loro campione, anche rilevando cambiamenti molto piccoli, a causa della natura sintonizzabile dei raggi X.

"Abbiamo eseguito misurazioni XAS con un raggio di raggi X molto piccolo (circa 100 micron) per mirare alla parte attiva della struttura ingegnerizzata. Abbiamo osservato un chiaro spostamento nello spettro Pd quando si cambia la tensione applicata al campione, che è stato un segno della trasformazione del Pd in ​​PdH, "ha detto Claudio Mazzoli, capo scienziato della linea di luce presso la linea di luce CSX. "Queste misurazioni hanno fornito prove dirette del meccanismo microscopico che si verifica in profondità all'interno del campione. Pertanto, ora sappiamo che l'inserimento dell'idrogeno nel dispositivo è la spiegazione dei cambiamenti nelle proprietà magnetiche del campione rilevate dalle misurazioni di laboratorio".

"Questo è un metodo molto nuovo e unico, e apre un modo completamente nuovo di modulare i campi magnetici nei dispositivi a stato solido, potenzialmente impattante sulle applicazioni spintroniche, " ha detto Hu.