Commutazione a bassa temperatura per x =0,31 (a), 0,34 (b), e 0,35 (c) illustra la stabilità e la risposta migliorata mentre si allontana x =valore 1/3. Viene presentata un'illustrazione del reticolo di ferro per i regimi pertinenti:posti vacanti (a), stechiometrico (b), e interstitial (c). Credito:Maniv et al.
Negli ultimi dieci anni o giù di lì, fisici e ingegneri hanno cercato di identificare nuovi materiali che potrebbero consentire lo sviluppo di dispositivi elettronici più veloci, più piccolo e robusto. Questo è diventato sempre più cruciale, poiché le tecnologie esistenti sono fatte di materiali che si stanno gradualmente avvicinando ai loro limiti fisici.
Gli spintronici antiferromagnetici (AFM) sono dispositivi o componenti per l'elettronica che accoppiano una corrente di carica alla "struttura" di spin ordinata di materiali specifici. In fisica, il termine spin si riferisce al momento angolare intrinseco osservato negli elettroni e in altre particelle.
Il successo dello sviluppo della spintronica AFM potrebbe avere implicazioni molto importanti, in quanto potrebbe portare alla creazione di dispositivi o componenti che superano la legge di Moore, un principio introdotto per la prima volta dal produttore di microchip Gordon Earle Moore. La legge di Moore afferma essenzialmente che la memoria, si prevede che la velocità e le prestazioni dei computer raddoppieranno ogni due anni a causa dell'aumento del numero di transistor che un microchip può contenere.
Mentre le tecnologie attuali stanno raggiungendo i loro limiti fisici, La spintronica AFM potrebbe superare significativamente le prestazioni dei dispositivi esistenti sia in termini di velocità che di prestazioni, andando ben oltre la legge di Moore. Nonostante le loro qualità vantaggiose, trovare materiali con le caratteristiche esatte necessarie per fabbricare la spintronica AFM si è finora dimostrato molto impegnativo.
Ricercatori del Lawrence Berkeley National Laboratory, UC Berkeley e il National High Magnetic Field Laboratory di Tallahassee hanno recentemente identificato un nuovo materiale quantistico (Fe 1/3 + NbS 2 ) che potrebbe essere utilizzato per fabbricare dispositivi spintronici AFM. Nei loro lavori più recenti, pubblicato in Progressi scientifici e Fisica della natura , hanno dimostrato la fattibilità dell'uso di questo materiale per due applicazioni di spintronica AFM.
"Il lavoro pubblicato in Progressi scientifici è stato motivato dalla nostra precedente pubblicazione, che ha dimostrato per la prima volta la commutazione antiferromagnetica nei composti a base di dicalcogenuro di metalli di transizione intercalati (TMD), "James G. Analytis, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nel nostro altro studio recente, in primo piano Fisica della natura , abbiamo dimostrato che questi stessi materiali hanno un enorme "bias di scambio", una proprietà che può essere utilizzata per le valvole di spin per garantire che il trasporto di spin nei dispositivi spintronici viaggi in una direzione ma non in un'altra".
Analytis e i suoi colleghi hanno scoperto che le densità di corrente ultrabasse hanno consentito una commutazione elettrica altamente stabile nei TMD, che hanno mostrato grandi promesse per lo sviluppo di nuove tecnologie. Rispetto ad altri noti sistemi antiferromagnetici commutabili, infatti, questi materiali hanno mostrato caratteristiche aggiuntive come una saturazione del singolo impulso e un'energia di attivazione significativamente inferiore (due ordini di grandezza inferiore).
I ricercatori non erano sicuri del motivo per cui questi materiali mostrassero queste straordinarie caratteristiche di commutazione. Un'osservazione che pensavano potesse aiutarli a risolvere questo indovinello era che i materiali presentavano un'ulteriore fase magnetica disordinata, noto come vetro di rotazione, che coesisteva con la fase antiferromagnetica.
"La nostra ricerca in corso mostra che questa fase di coesistenza è fortemente influenzata dal valore di intercalazione del ferro, E conseguentemente, determina come questo sistema risponderà all'iniezione di impulsi elettrici CC, "Eran Maniv, l'autore principale del progetto, ha detto a Phys.org. "I nostri nuovi dati hanno mostrato che la commutazione è pronunciata solo quando le due fasi coesistono ed è significativamente soppressa quando la fase del vetro di spin è assente".
L'obiettivo principale dei recenti studi dei ricercatori era capire come la coesistenza delle fasi vetro di spin e antiferromagnetiche nei dicalcogenuri di metalli di transizione potesse influire sulle loro capacità di commutazione elettrica. Più specificamente, analisi, Maniv ei loro colleghi speravano di svelare la fisica dietro il meccanismo che migliora la commutazione antiferromagnetica in questi materiali.
Un vetro di spin è un sistema magnetico che mostra interazioni magnetiche conflittuali e distribuite casualmente. Potrebbe essere approssimativamente descritto come un magnete disordinato. Lo stato del vetro di spin, che i ricercatori hanno osservato nei dicalcogenuri di metalli di transizione, non è presente nei sistemi antiferromagnetici commutabili esistenti.
"A differenza di un ferromagnete o di un antiferromagnete in cui gli spin puntano in direzioni specifiche, punti di rotazione di un bicchiere di spin, in media, in ogni direzione, " Analytis ha detto. "Tuttavia, i giri di un bicchiere di spin sono ancora incollati l'uno all'altro, proprio come gli spin di un ferromagnete o di un AFM. Questo li fa muovere insieme, abilitando le cosiddette dinamiche collettive. L'origine del nuovo e potenziato meccanismo di commutazione che abbiamo osservato risiede nelle dinamiche collettive di un vetro rotante".
Maniv, Analytis e i loro colleghi hanno scoperto che quando un impulso di corrente elettrica viene iniettato in un bicchiere di spin, i suoi giri ruotano collettivamente. Questo fenomeno si verifica a causa della natura disordinata della fase vetrosa, che consente agli spin congelati di ruotare all'unisono senza alcun costo energetico aggiuntivo.
I ricercatori hanno osservato che il movimento collettivo del vetro di rotazione può impartire una coppia di rotazione alla fase antiferromagnetica coesistente, che alla fine ruota gli spin di un AFM, in modo che i loro domini puntino prevalentemente in una direzione. La rotazione collettiva degli spin è il meccanismo chiave dietro la commutazione avanzata esibita dai TMD. interessante, i ricercatori hanno scoperto che l'interazione tra il vetro di spin e le fasi AFM dà origine anche al gigantesco bias di scambio riportato nel loro recente articolo pubblicato su Nature Physics.
"Questa commutazione antiferromagnetica, mostrando domini ruotati a singolo impulso con elevata efficacia, non è mai stato osservato, fino ad ora, " Ha detto Maniv. "La capacità di controllare e migliorare significativamente la commutazione antiferromagnetica altamente desiderabile è una svolta nelle tecnologie legate alla spintronica. Inoltre, rivelare questo effetto nel ricco parco giochi dei TMD consentirà futuri studi sulla temperatura ambiente e caratteristiche migliorate".
Sorprendentemente, il nuovo sistema magnetico e commutabile identificato da Analytis e dai suoi colleghi ha una dinamica ultraveloce, è robusto ai campi magnetici e si attiva anche a densità di corrente inferiori rispetto a qualsiasi materiale noto. La risposta di questo sistema agli impulsi elettrici consente l'attivazione di un singolo impulso altamente efficiente e gli stati di commutazione che sono molto più stabili e potenti di quelli osservati in altri materiali antiferromagnetici noti.
"Una delle nostre osservazioni più sorprendenti è stata la possibile presenza dei "Modi Halperin-Saslow (HS)" teoricamente previsti (cioè, onde di spin in un bicchiere di spin), Maniv ha detto. "Si prevede che queste onde di spin si formino in determinate fasi di vetro di spin e sono direttamente correlate al movimento collettivo globale consentito dagli impulsi di corrente elettrica".
Le modalità HS sono modalità idrodinamiche che i fisici Halperin e Saslow avevano previsto sarebbero esistite nei vetri di spin. Sebbene Analytis e i suoi colleghi non abbiano osservato direttamente queste modalità, hanno trovato indizi che potrebbero aprire la strada alla loro realizzazione sperimentale. Si tratta di una scoperta particolarmente interessante, poiché i ricercatori hanno cercato di osservare direttamente queste modalità per decenni.
"Ora intendiamo concentrarci sulla rivelazione delle modalità dell'onda di spin glass-spin (cioè, modalità HS), " Analytis ha detto. "Uno dei miei coautori sul lavoro, Shannon Haley, sta ora conducendo nuovi esperimenti per studiare la commutazione non locale in campioni fabbricati con fasci di ioni focalizzati. Inoltre, intendiamo studiare vari TMD intercalati che possono presentare effetti simili ma a temperature diverse, permettendoci di accedere a questo nuovo meccanismo a temperatura ambiente".
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