Tenendo il materiale giusto alla giusta angolazione, i ricercatori della Cornell hanno scoperto una strategia per commutare la magnetizzazione in strati sottili di un ferromagnete, una tecnica che potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi di memoria magnetica più efficienti dal punto di vista energetico.

Il documento del team, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide", pubblicato il 5 maggio su Nature Electronics . Gli autori principali del documento sono il ricercatore post-dottorato Arnab Bose e gli studenti di dottorato Nathaniel Schreiber e Rakshit Jain.

Per decenni, i fisici hanno cercato di cambiare l'orientamento degli spin degli elettroni nei materiali magnetici manipolandoli con i campi magnetici. Ma ricercatori tra cui Dan Ralph, il F.R. Newman Professor of Physics presso il College of Arts and Sciences e autore senior dell'articolo, hanno invece cercato di utilizzare le correnti di spin trasportate dagli elettroni, che esistono quando gli elettroni hanno spin generalmente orientati in una direzione.

Quando queste correnti di spin interagiscono con un sottile strato magnetico, trasferiscono il loro momento angolare e generano una coppia sufficiente per commutare la magnetizzazione di 180 gradi. (Il processo di commutazione di questo orientamento magnetico è il modo in cui si scrivono le informazioni nei dispositivi di memoria magnetica.)

Il gruppo di Ralph si è concentrato sulla ricerca di modi per controllare la direzione dello spin nelle correnti di spin generandole con materiali antiferromagnetici. Negli antiferromagneti, ogni altro elettrone di spin punta nella direzione opposta, quindi non c'è magnetizzazione netta.

"Essenzialmente, l'ordine antiferromagnetico può abbassare le simmetrie dei campioni abbastanza da consentire l'esistenza di orientamenti non convenzionali della corrente di spin", ha detto Ralph. "Il meccanismo degli antiferromagneti sembra fornire un modo per ottenere anche correnti di rotazione abbastanza forti."

Il team ha sperimentato l'antiferromagnete diossido di rutenio e misurato il modo in cui le sue correnti di spin hanno inclinato la magnetizzazione in un sottile strato di una lega magnetica di nichel-ferro chiamata Permalloy, che è un ferromagnete morbido. Per mappare le diverse componenti della coppia, hanno misurato i suoi effetti a una varietà di angoli del campo magnetico.

"All'inizio non sapevamo cosa stavamo vedendo. Era completamente diverso da quello che abbiamo visto prima e ci è voluto molto tempo per capire di cosa si tratta", ha detto Jain. "Inoltre, questi materiali sono difficili da integrare nei dispositivi di memoria e la nostra speranza è di trovare altri materiali che mostrino un comportamento simile che possa essere integrato facilmente."

I ricercatori alla fine hanno identificato un meccanismo chiamato "scissione dello spin dipendente dalla quantità di moto" che è unico per l'ossido di rutenio e altri antiferromagneti della stessa classe.

"Per molto tempo, la gente ha pensato che negli antiferromagneti gli elettroni spin up e spin down si comportassero sempre allo stesso modo. Questa classe di materiali è davvero qualcosa di nuovo", ha detto Ralph. "Gli stati elettronici di spin up e spin down hanno essenzialmente dipendenze diverse. Una volta che inizi ad applicare i campi elettrici, questo ti dà immediatamente un modo per creare forti correnti di spin perché gli elettroni di spin up e spin down reagiscono in modo diverso. Quindi puoi accelerarne uno più dell'altro e in questo modo ottieni una forte corrente di rotazione."

Questo meccanismo era stato ipotizzato ma mai documentato prima. Quando la struttura cristallina nell'antiferromagnet è orientata in modo appropriato all'interno dei dispositivi, il meccanismo consente alla corrente di spin di essere inclinata di un angolo che può consentire una commutazione magnetica più efficiente rispetto ad altre interazioni spin-orbita.

Ora, il team di Ralph spera di trovare modi per creare antiferromagneti in cui possano controllare la struttura del dominio, ovvero le regioni in cui i momenti magnetici degli elettroni si allineano nella stessa direzione, e studiare ogni dominio individualmente, il che è impegnativo perché i domini sono normalmente misti.

Alla fine, l'approccio dei ricercatori potrebbe portare a progressi nelle tecnologie che incorporano la memoria magnetica ad accesso casuale.

"La speranza sarebbe quella di realizzare dispositivi di memoria magnetica molto efficienti, molto densi e non volatili che migliorino i dispositivi di memoria al silicio esistenti", ha affermato Ralph. "Ciò consentirebbe un vero cambiamento nel modo in cui la memoria viene eseguita nei computer perché avresti qualcosa con una resistenza essenzialmente infinita, molto densa, molto veloce e le informazioni rimangono anche se l'alimentazione è spenta. Non c'è memoria che lo faccia che in questi giorni». + Esplora ulteriormente

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