, Un nuovo studio UNSW esamina in modo completo la struttura magnetica del materiale multiferroico ferrite di bismuto (BiFeO3-BFO).

La recensione fa avanzare la ricerca di FLEET per l'elettronica a bassa energia, riunire le attuali conoscenze sull'ordine magnetico nei film BFO, e fornendo ai ricercatori una solida piattaforma per sviluppare ulteriormente questo materiale nelle memorie magnetoelettriche a bassa energia.

BFO è unico in quanto visualizza sia l'ordinamento magnetico che quello elettronico (cioè, è 'multiferroico') a temperatura ambiente, consentendo la commutazione a bassa energia nei dispositivi di memorizzazione dei dati.

Multiferroici:ordinamento magnetico ed elettronico combinato per l'archiviazione dei dati a basso consumo energetico

I multiferroici sono materiali che hanno più di un "parametro d'ordine".

Per esempio, un materiale magnetico mostra un ordine magnetico:puoi immaginare che il materiale sia composto da tanti elementi ordinatamente disposti (ordinati), minuscoli magneti.

Alcuni materiali mostrano un ordine elettronico, una proprietà denominata ferroelettricità, che può essere considerata l'equivalente elettrico del magnetismo.

In un materiale ferroelettrico, alcuni atomi sono carichi positivamente, altri sono caricati negativamente, e il modo in cui questi atomi sono disposti nel materiale dà un ordine specifico alla carica nel materiale.

In natura, una piccola frazione dei materiali noti possiede sia un ordine magnetico che ferroelettrico (come nel caso del BFO) e sono quindi indicati come materiali multiferroici.

L'accoppiamento tra ordine magnetico e ferroelettrico in un materiale multiferroico sblocca fisica interessante e apre la strada ad applicazioni come l'elettronica ad alta efficienza energetica, ad esempio nei dispositivi di memoria non volatile.

Gli studi presso FLEET si concentrano sul potenziale utilizzo di tali materiali come meccanismo di commutazione.

La memorizzazione dei dati su hard disk tradizionali si basa sulla commutazione dello stato magnetico di ogni bit:da zero, a uno, a zero. Ma ci vuole una quantità relativamente grande di energia per generare il campo magnetico necessario per raggiungere questo obiettivo.

In un 'memoria multiferroica, ' l'accoppiamento tra l'ordine magnetico e ferroelettrico potrebbe consentire il 'capovolgimento' dello stato di un bit dal campo elettrico, piuttosto che un campo magnetico.

I campi elettrici sono energeticamente molto meno costosi da generare rispetto ai campi magnetici, quindi la memoria multiferroica sarebbe una vittoria significativa per l'elettronica a bassissima energia, un obiettivo chiave in FLEET.

BFO:un materiale multiferroico unico

La ferrite di bismuto (BFO) è unica tra i multiferroici:le sue proprietà magnetiche e ferroelettriche persistono fino a temperatura ambiente. La maggior parte dei multiferroici mostra entrambi i parametri di ordine solo a temperature molto inferiori alla temperatura ambiente, rendendoli poco pratici per l'elettronica a bassa energia.

(Non ha senso progettare dispositivi elettronici a basso consumo energetico se ti costa più energia per raffreddare il sistema di quanta ne risparmi durante il funzionamento.)

Il nuovo studio UNSW esamina la struttura magnetica della ferrite di bismuto; in particolare, quando è cresciuto come un sottile strato di cristallo singolo su un substrato.

Il documento esamina il complicato ordine magnetico del BFO, e i molti diversi strumenti sperimentali utilizzati per sondarlo e aiutarlo a capirlo.

Il multiferroico è un argomento impegnativo. Per esempio, per i ricercatori che cercano di entrare nel campo, è molto difficile ottenere un quadro completo del magnetismo del BFO ​​da qualsiasi riferimento.

"Così, abbiamo deciso di scriverlo, " afferma il dottor Daniel Sando. "Eravamo nella posizione perfetta per farlo, poiché avevamo tutte le informazioni nelle nostre teste, Stuart ha scritto un capitolo di revisione della letteratura, e abbiamo avuto il background di fisica necessario combinato per spiegare i concetti importanti in un modo in stile tutorial".

Il risultato è un completo, completare, e un articolo di revisione dettagliato che attirerà un'attenzione significativa da parte dei ricercatori e servirà come riferimento utile per molti.

Il co-autore principale, il dott. Stuart Burns, spiega cosa guadagneranno dall'articolo i nuovi ricercatori nel campo dei multiferroici:

"Abbiamo strutturato la recensione come un pacchetto di partenza per il tuo esperimento:i lettori verranno guidati attraverso la cronologia di BFO, una selezione di tecniche da utilizzare (oltre ai vantaggi e alle insidie ​​di ciascuna) e vari modi interessanti per modificare la fisica in gioco. Con questi pezzi a posto, gli sperimentali sapranno cosa aspettarsi, e può concentrarsi sulla progettazione di nuovi dispositivi a basso consumo energetico e architetture di memoria".

L'altro autore principale, Oliver Paul, afferma "Speriamo che altri ricercatori nel nostro campo utilizzino questo lavoro per formare i loro studenti, imparare le sfumature della materia, e avere un articolo di riferimento unico che contiene tutti i riferimenti pertinenti, quest'ultimo di per sé un contributo estremamente prezioso."

Il prof Nagy Valanoor ha aggiunto:"L'aspetto più appagante di questo articolo è stato il suo stile come capitolo di un libro di testo. Non abbiamo lasciato nulla di intentato!"

Il documento di discussione include l'incorporazione di BFO in dispositivi funzionali che utilizzano l'accoppiamento incrociato tra ferroelettricità e magnetismo, e nuovissimi campi come la spintronica antiferromagnetica, dove la proprietà quantomeccanica dello spin dell'elettrone può essere utilizzata per elaborare le informazioni.

"La guida dello sperimentatore alla cicloide, o Antiferromagnetismo non collineare in BiFeO . epitassiale ₃ " è stato pubblicato in Materiale avanzato a settembre 2020.

Il team di Nagarajan ("Nagy") Valanoor presso l'UNSW Sydney ha studiato a fondo il BFO ​​e altri materiali ferroici, ottenendo un ampio apprezzamento per gli studi pertinenti, e facendo progressi significativi da soli.

Il team sintetizza eterostrutture ferroelettriche e ferromagnetiche e nuovi ossidi topologici utilizzati da altri ricercatori FLEET alla ricerca di transistor a bassa energia, nell'ambito del tema di ricerca 1 del Centro e delle tecnologie abilitanti A.