Credito:Gupta et al.
I ricercatori dell'Università di Twente e dell'Università Normale di Pechino hanno recentemente condotto uno studio sul parametro noto come perdita di memoria di spin (SML) per una varietà di interfacce diverse, utilizzando una combinazione di metodi teorici e computazionali. La loro carta, pubblicato in Lettere di revisione fisica , offre nuove preziose informazioni che potrebbero informare la progettazione di interfacce più efficienti.
"Il Santo Graal nel nostro campo di studi è un nuovo concetto di memoria magnetica che sarebbe elettronica al 100%; cioè potenzialmente più veloce, più denso e più affidabile degli attuali dischi rigidi (HDD) che costituiscono la spina dorsale di Internet (ad es. data farm) e che si basano su un disco magnetico rotante meccanicamente in cui i dati sono accessibili da una testina di lettura/scrittura che fluttua solo nanometri sopra l'hard disk che ruota rapidamente, "Paolo Kelly, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il nuovo concetto si basa su qualcosa chiamato effetto spin Hall (SHE), che era stato teoricamente previsto 50 anni fa, ma osservata per la prima volta nei semiconduttori nel 2004 e due anni dopo nei metalli".
Oltre ad avere una carica, gli elettroni hanno uno spin, il che significa che possono fungere da "trottole". Associato a questo spin è un momento magnetico. L'SHE è una diretta conseguenza dell'effetto relativistico chiamato accoppiamento spin-orbita (SOC), che "accoppia" il modo in cui gli elettroni ruotano (in senso orario o antiorario) con il modo in cui si muovono attorno agli atomi.
Per effetto di questo effetto, quando una corrente di carica attraversa una lastra di un metallo pesante come il platino, eccita una corrente di spin ortogonale alla corrente di carica. Se il platino è a contatto con un materiale magnetico come il ferro, nichel o permalloy, una lega di FeNi, la "corrente di spin" viene spinta in questo materiale magnetico vicino.
Figura che spiega l'Effetto Spin Hall. Credito:Gupta et al.
"Nelle giuste circostanze, questa corrente di spin può riorientare la direzione in cui punta il momento magnetico:up è '1', giù è '0'; e abbiamo le basi di un nuovo tipo di memoria magnetica, "Kelly ha spiegato. "Questo è il punto in cui entriamo".
Come Kelly continua a spiegare, la corrente di spin tipicamente si degrada quando passa dal filo di Pt al materiale magnetico, che spesso accade alle interfacce tra due materiali diversi. Questo degrado della corrente, noto come "perdita di memoria di spin" (SML), è stato oggetto di numerosi studi, compreso quello svolto dal team di Kelly, eppure attualmente si sa molto poco al riguardo.
"Ciò che si sa finora su SML è stato raccolto da esperimenti a bassa temperatura, considerando che il 99% dell'interesse riguarda ciò che accade a temperatura ambiente, la temperatura importante per numerose applicazioni, "Kelly ha detto. "La nostra ricerca è stata orientata per essere in grado di studiare proprietà come questa".
L'obiettivo principale dello studio condotto da Kelly e dai suoi colleghi era studiare la SML e il suo comportamento a diverse interfacce ea temperature finite (dove le vibrazioni atomiche indotte dalla temperatura e le fluttuazioni dei momenti magnetici sono inevitabili). I ricercatori si sono concentrati su quattro combinazioni di materiali che vengono generalmente utilizzate quando si cerca di sviluppare una memoria magnetica interamente elettronica.
Una corrente di spin completamente polarizzata viene iniettata in un doppio strato Au/Pt con un'interfaccia netta (linea nera verticale), due strati di interfaccia Au50Pt50 (regione ombreggiata in giallo), e quattro strati di interfaccia Au50Pt50 (regione ombreggiata verde) tra di loro. Le correnti di spin calcolate per i tre casi sono mostrate come cerchi grigi, diamanti gialli, e quadrati verdi, rispettivamente. La linea blu continua indica un adattamento all'equazione VF in Au. Il solido, tratteggiato, e le linee rosse tratteggiate indicano gli adattamenti all'equazione VF in Pt per Au / Pt, Au/Au50Pt50(2)Pt, e Au/Au50Pt50(4)jPt, rispettivamente. (Riquadro) δ vs ARI per N ¼ 0, 2, e 4 livelli di interfaccia di Au50Pt50 misto. Credito:Gupta et al.
Negli ultimi 20 anni, Kelly e i suoi colleghi hanno sviluppato codici per computer che possono essere utilizzati per studiare il trasporto di elettroni e spin (cioè, trasporto di spin) in materiali complessi. Questi codici si basano sulla risoluzione dell'"equazione di Schrödinger" della meccanica quantistica in una forma chiamata "teoria dello scattering", il che significa che il comportamento degli elettroni è in termini di onde di materia.
"Due passi importanti nello sviluppo di questi codici sono stati l'inclusione di effetti relativistici, vale a dire SOC e temperatura sotto forma di reticolo indotto dalla temperatura e disordine di spin, "Kelly ha detto. "Quando la temperatura di un materiale aumenta, gli atomi di cui è composto il materiale vibrano sempre di più; questo è chiamato disturbo reticolare. Se il materiale è ferromagnetico, quindi i momenti magnetici sugli atomi ruotano lontano dal loro originale, orientamento uniforme."
Come passo finale nello sviluppo del codice per lo studio del trasporto di spin attraverso le interfacce, Kelly e i suoi colleghi hanno usato i risultati dei loro calcoli di "scattering" della meccanica quantistica per calcolare le correnti di carica e di spin osservate dagli sperimentali. Questo processo alla fine ha permesso loro di studiare le SHE alle interfacce, così come la degradazione delle correnti di spin mentre passano da un materiale all'altro (cioè, SML).
"La differenza fondamentale tra il nostro studio e quelli condotti da altri team di ricerca è che molto tempo fa abbiamo identificato le interfacce come un obiettivo chiave e abbiamo concentrato lo sviluppo del nostro codice sulla capacità di studiare interfacce tra materiali che hanno dimensioni molto diverse (ad es. costanti reticolari)." ha detto Kelly. "Ciò ha comportato l'uso estensivo di 'metodi a matrice sparsa' per essere in grado di gestire gli enormi array numerici che risultano dalla descrizione realistica delle interfacce".
Cerchi aperti:corrente di rotazione jS(z) attraverso un tristrato Pt Py Pt calcolato per T ¼ 300 K. La curva blu (arancione) è un adattamento alle equazioni VF in massa Pt (Py). Questi fit vengono estrapolati all'interfaccia zI per ottenere i valori js, Pt (ZI) e Js, Py (ZI)mostrato in dettaglio nel riquadro di destra. (Riquadro sinistro) La corrente di spin con (rosso) e senza (blu) momenti di prossimità indotti in Pt. Credito:Gupta et al.
Kelly ei suoi colleghi sono stati i primi a studiare il trasporto di spin in funzione della temperatura attraverso interfacce realistiche. Oltre a introdurre valori numerici per i parametri che descrivono questo trasporto, hanno raccolto informazioni preziose su come questi parametri variano tra le diverse interfacce, così come la loro dipendenza dai tipi di disturbo da cui sono affetti.
In particolare, i ricercatori hanno osservato che le interfacce non magnetiche hanno una dipendenza minima dalla temperatura, mentre le interfacce contenenti ferromagneti dipendono fortemente dalla temperatura. Hanno anche scoperto che l'SML era maggiore per alcune interfacce, soprattutto quando il passaggio tra i diversi materiali è più brusco (es. interfacce Co/Pt).
Finalmente, Kelly e i suoi colleghi hanno scoperto che la SML può essere notevolmente migliorata dal disadattamento del reticolo e dall'alligazione dell'interfaccia. Nel futuro, le osservazioni e le intuizioni raccolte guideranno la progettazione di interfacce più efficaci con varie possibili applicazioni.
"Come passo successivo, vogliamo studiare direttamente il processo per cui una corrente di spin generata dall'SHE in un metallo pesante viene iniettata in vari altri materiali, non magnetico e magnetico, per stabilire un contatto più stretto con la memoria magnetica e i relativi nanodispositivi, "Kelly ha detto. "Studiaremo anche le proprietà dei nuovi materiali ferromagnetici bidimensionali van der Waals, che possono avere proprietà distinte di trasporto di carica e spin e le cui "interfacce" dovrebbero svolgere un ruolo chiave nel determinare le loro proprietà magnetiche."
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