Il promettente campo della spintronica cerca di manipolare lo spin degli elettroni per creare una nuova generazione di dispositivi elettronici piccoli ea bassa potenza. Uno studio recente ha utilizzato l'Advanced Photon Source di Argonne per avvicinare alla realtà l'uso diffuso della spintronica.

Man mano che i computer e i dispositivi elettronici diventano sempre più piccoli, gli ingegneri stanno sviluppando nuove tecnologie per consentire ai dispositivi di ridursi ulteriormente migliorando le prestazioni. Una nuova tecnologia promettente è la spintronica, che ha il potenziale per realizzare dispositivi più piccoli e veloci che conservano le informazioni quando l'alimentazione è spenta. Questa tecnologia emergente potrebbe rivoluzionare il design dei dispositivi elettronici, ma ha ancora molta strada da fare prima che la tecnologia diventi mainstream.

Per stare al passo con la crescente generazione di dati, la capacità di archiviazione dei dati è aumentata mentre i dispositivi elettronici continuano a diventare più piccoli e potenti. Però, questo aumento della generazione e dell'archiviazione dei dati ha portato ad un associato aumento del consumo di energia. I data center utilizzano una quantità significativa di elettricità per i propri server e sistemi di raffreddamento, e quei centri da soli rappresentano oltre l'1% del consumo energetico globale. Spintronics ha il potenziale per ridurre questo consumo di energia, consentendo agli ingegneri di continuare a progettare computer e altri dispositivi elettronici più piccoli e veloci.

Invece di usare la carica dell'elettrone per memorizzare le informazioni come 1 e 0, la spintronica utilizza lo spin degli elettroni per codificare i dati. Lo spin è una proprietà degli elettroni, proprio come carica. Gli elettroni possono avere uno stato di spin che è alto o basso, e in alcuni materiali speciali questo stato di rotazione può spostarsi attraverso il materiale quando è esposto all'elettricità. La capacità di trasportare lo stato di spin è ciò che consente di utilizzare lo spin per l'archiviazione dei dati. Questo metodo di manipolazione dello spin per l'archiviazione dei dati utilizza molta meno energia perché una corrente di spin incontra meno resistenza che può portare al surriscaldamento, e l'informazione non scompare con una perdita di potere.

Ricercatori che utilizzano l'Advanced Photon Source (APS), una struttura per gli utenti dell'Ufficio della scienza del Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti presso l'Argonne National Laboratory del DOE, hanno studiato modi per manipolare gli spin degli elettroni e hanno sviluppato nuovi materiali per la spintronica. Recentemente, un gruppo di ricerca guidato da Chang-Beom Eom, un professore di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Wisconsin-Madison, pubblicato uno studio sulla rivista Comunicazioni sulla natura su un nuovo materiale che ha tre volte la densità di archiviazione e utilizza molta meno energia rispetto ad altri dispositivi spintronici.

Non esistono molti di questi tipi di materiali, soprattutto quelli che funzionano a temperatura ambiente come questo. Se il materiale di Eom può essere perfezionato, potrebbe aiutare nella creazione di dispositivi elettronici più efficienti con una minore tendenza al surriscaldamento. Ciò è particolarmente importante per far progredire lo sviluppo del calcolo a bassa potenza e della memoria magnetica veloce.

La nuova struttura progettata da Eom si basa su un'insolita classe di materiali chiamati antiperovskiti che utilizza per manipolare il flusso di informazioni di spin senza spostare le cariche degli elettroni attraverso il materiale. Per capire se ha funzionato, e per comprendere meglio la struttura del materiale, Il team di Eom ha utilizzato la diffrazione dei raggi X presso l'APS per vedere a che punto è cambiata la struttura del materiale, indicando l'emergere della necessaria disposizione degli spin elettronici.

Eom è arrivato all'APS grazie alla potenza della linea di luce 6-ID-B e all'esperienza degli scienziati che vi lavorano.

"In una settimana di tempo all'APS possiamo fare un mese di lavoro, " Egli ha detto.

Gli scienziati della linea di luce dell'APS forniscono consulenza di esperti ai ricercatori che desiderano utilizzare le risorse della struttura. Prima dello studio, Gli scienziati della linea di luce dell'APS Phil Ryan e Jong-Woo Kim hanno trascorso del tempo con Eom, aiutandolo a determinare quando aveva la struttura giusta mentre coltivava questi nuovi materiali nel suo laboratorio.

"Se hanno una domanda scientifica, ne discutiamo e progettiamo insieme un esperimento all'APS per rispondere alla domanda, " ha detto Kim, un fisico dell'APS che collabora con il team di ricerca di Eom. "Comprendiamo molto bene le nostre tecniche e capacità, così possiamo contribuire alla progettazione dell'esperimento, o anche modellare la conversazione."

Per questo studio, Eom ha utilizzato l'APS per osservare la struttura reticolare del materiale a livello atomico mentre si raffreddava verso la temperatura ambiente. Utilizzando la diffrazione dei raggi X, hanno misurato il parametro reticolare, fondamentalmente la distanza tra gli atomi, ed hanno estratto la separazione degli atomi al variare della temperatura del materiale.

"Questo materiale sviluppa un ordine magnetico un po' al di sopra della temperatura ambiente, " ha detto Ryan, un altro fisico dell'APS che ha lavorato con Eom a questo progetto ea molti altri nel corso degli anni. "Una volta che l'elettrone si ordina, gli atomi vengono leggermente allontanati l'uno dall'altro. Quindi, anche se non siamo riusciti a rilevare direttamente la struttura con i raggi X, abbiamo monitorato e misurato questo cambiamento strutturale con la temperatura all'APS per confermare l'emergere di questo ordine magnetico".

Questa era una delle tre tecniche utilizzate nello studio per misurare la disposizione degli spin elettronici, e questi dati, insieme ad altre misurazioni, contribuito a consolidare e cementare la validità dei risultati.

"La capacità di manipolare la disposizione degli spin elettronici, così come il loro movimento attraverso il materiale, ha enormi possibilità per dispositivi più efficienti dal punto di vista energetico, " Eom ha detto. "Questo è il primo passo per dimostrare come farlo."