I ricercatori della Cornell hanno dato una svolta alla misurazione e al controllo degli spin nell'ossido di nichel, con un occhio al miglioramento della velocità e della capacità di memoria dei dispositivi elettronici.

La loro carta, "Spin Seebeck Imaging of Spin-Torque Switching in Antiferromagnetic Pt/NiO Heterostructures" è stato pubblicato il 22 ottobre in Revisione fisica X .

Una delle specialità dell'autore senior Greg Fuchs, professore associato di fisica applicata e ingegneria, è la spintronica, lo studio dello spin (un tipo di momento angolare in grado di registrare informazioni) responsabile delle proprietà magnetiche degli elettroni. Fuchs e il suo gruppo stanno cercando di capire come misurare e manipolare questo magnetismo.

Piuttosto che misurare il magnetismo con le forme tradizionali di microscopia magnetica, in cui i materiali sono bombardati di luce, elettroni o raggi X—Fuchs ha aperto la strada a una tecnica chiamata microscopia magnetotermica. In questo metodo, il calore viene applicato al materiale in una piccola area, e il magnetismo in quell'area è misurato dalla tensione elettrica che viene generata. Ciò consente alla squadra di Fuchs di vedere cosa succede quando manipolano gli spin di un materiale magnetico.

Il Gruppo Fuchs ha esplorato materiali antiferromagnetici, che sono unici perché i loro elementi magnetici individuali, i minuscoli pezzi di materiale che ricordano le informazioni in base al loro orientamento, non producono un campo magnetico. Perciò, possono essere imballati vicini senza disturbarsi a vicenda, potenzialmente consentendo l'archiviazione ad alta densità. Gli antiferromagneti sono fratelli ancora più veloci dei ferromagneti, materiali magnetici più convenzionali che producono un momento magnetico. Gli antiferromagneti hanno il potenziale per operare mille volte più velocemente, secondo Fuchs.

Ma comprendere il comportamento dei materiali antiferromagnetici non è facile.

"Il materiale antiferromagnetico è difficile da studiare perché ogni altro spin punta nella direzione opposta, quindi non c'è magnetizzazione netta, " Dice Fuchs. "Non crea un campo magnetico. Non è realmente suscettibile di approcci convenzionali alla misurazione magnetica. Ci sono strutture specializzate per i raggi X che possono farlo, ma non sono molti, e questo limita le misurazioni che puoi fare. Quindi hai pochissime opzioni."

Fuchs e il suo team hanno escogitato un'intelligente soluzione al problema scegliendo il giusto tipo di materiale antiferromagnetico, l'ossido di nichel, che contiene più piani di rotazione, con gli spin in ogni altro piano che puntano in una direzione opposta. In un sandwich di platino e ossido di nichel, gli spin al confine sono tutti allineati paralleli tra loro, consentendo ai ricercatori di utilizzare il flusso di calore per misurare l'orientamento degli spin senza che il segnale venga annullato.

Questo effetto, chiamato "effetto Seebeck di spin interfacciale, " era stato precedentemente dimostrato in metalli ferromagnetici e isolanti, ma è stato teorizzato solo per gli antiferromagneti. Nessuno prima lo aveva dimostrato, figuriamoci usarlo per l'immagine di campioni antiferromagnetici con apparecchiature di laboratorio standard da tavolo.

"L'imaging degli antiferromagneti ci permette di vedere al microscopio come rispondono agli stimoli esterni, come la corrente elettrica. Questi dettagli sono fondamentali quando si cerca di realizzare dispositivi di memoria antiferromagnetica, "dice l'autore principale Isaiah Gray, un dottorato di ricerca studente di fisica applicata.

"Normalmente si pensa agli antiferromagneti come a un osso duro. Per me è sorprendente che un approccio così semplice funzioni, " Ha detto Fuchs. "Questo sblocca un regno completamente nuovo in termini di ciò che si può fare con i dispositivi antiferromagnetici. Ora posso controllare le trame di questi materiali, e poi vedere come sono orientati gli spin."