Un fenomeno imprevisto noto come commutazione a campo zero (ZFS) potrebbe portare a minori, dispositivi di memoria e di elaborazione a basso consumo rispetto a quelli attualmente possibili. L'immagine mostra una stratificazione di platino (Pt), tungsteno (W), e un magnete cobalto-ferro-boro (CoFeB) racchiuso alle estremità da elettrodi d'oro (Au) su una superficie di silicio (Si). Le frecce grigie rappresentano la direzione complessiva della corrente elettrica iniettata nella struttura sul retro del contatto dorato (Au) e che fuoriesce dal pad di contatto dorato anteriore.

Lo strato di CoFeB è un magnete dello spessore di un nanometro che memorizza un po' di dati. Un "1" corrisponde alla magnetizzazione del CoFeB rivolta verso l'alto (freccia su), e uno "0" rappresenta la magnetizzazione rivolta verso il basso (freccia verso il basso). Lo "0" o "1" può essere letto sia elettricamente che otticamente, poiché la magnetizzazione modifica la riflettività della luce che colpisce il materiale attraverso un altro fenomeno noto come effetto Kerr magneto-ottico (MOKE).

Nel dispositivo, la corrente elettrica può invertire lo stato dei dati tra 0 e 1. I dispositivi precedenti di questo tipo richiedevano anche un campo magnetico o altre misure più complesse per modificare la magnetizzazione del materiale. Quei dispositivi precedenti non sono molto utili per costruire stabili, dispositivi di memoria non volatile.

Una svolta si è verificata in una collaborazione di ricerca tra la Johns Hopkins University e il NIST. Il team ha scoperto che potevano capovolgere la magnetizzazione del CoFeB in modo stabile tra gli stati 0 e 1 inviando solo corrente elettrica attraverso gli strati metallici Pt e W adiacenti al nanomagnete CoFeB. Non avevano bisogno di un campo magnetico. Questo effetto ZFS (commutazione a campo zero) è stato una sorpresa e non era stato previsto in teoria.

Nel loro lavoro, i ricercatori hanno creato un tipo speciale di corrente elettrica nota come corrente di "spin". Gli elettroni che trasportano corrente elettrica possiedono una proprietà nota come spin che può essere immaginata come una barra magnetica che punta in una direzione specifica attraverso l'elettrone. Sempre più sfruttato nel settore emergente noto come "spintronica, " La corrente di spin è semplicemente la corrente elettrica in cui gli spin degli elettroni puntano nella stessa direzione. Quando un elettrone si muove attraverso il materiale, l'interazione tra il suo spin e il suo movimento (chiamato coppia spin-orbita, SOT) crea una corrente di spin in cui gli elettroni con uno stato di spin si muovono perpendicolarmente alla corrente in una direzione e gli elettroni con lo stato di spin opposto si muovono nella direzione opposta. Gli spin risultanti che si sono spostati adiacenti allo strato magnetico di CoFeB esercitano una coppia su quello strato, provocando il ribaltamento della sua magnetizzazione. Senza la corrente di spin, la magnetizzazione del CoFeB è stabile contro qualsiasi fluttuazione di corrente e temperatura. Questo effetto ZFS inaspettato pone nuove domande ai teorici sul meccanismo sottostante del fenomeno di commutazione indotto da SOT osservato.

I dettagli della coppia spin-orbita sono illustrati nel diagramma. Le frecce viola mostrano gli spin degli elettroni in ogni strato. La freccia curva blu mostra la direzione in cui vengono deviate le rotazioni di quel tipo. (Per esempio, nello strato W, gli elettroni con spin a sinistra nel piano xy vengono deviati per spostarsi verso l'alto verso il CoFeB e gli spin degli elettroni a destra vengono deviati per spostarsi verso il basso verso il Pt.) Notare che gli spin degli elettroni nel Pt con spin a destra (nel piano xy), però, vengono deviati per spostarsi verso l'alto verso il W e gli spin dell'elettrone con spin a sinistra vengono deviati per spostarsi verso il basso verso il Si. Questo è opposto alla direzione in cui si muovono gli spin dell'elettrone in W, e questo è dovuto alle differenze nel SOT sperimentato dagli elettroni che si muovono attraverso Pt e quelli che si muovono attraverso W. Infatti, è questa differenza nel modo in cui gli elettroni si muovono attraverso ciascuno di questi due conduttori che può essere importante per consentire l'insolito effetto ZFS.

Il gruppo di ricerca, compresi gli scienziati del NIST Daniel Gopman, Robert Shull, e il ricercatore ospite del NIST Yury Kabanov, e i ricercatori della Johns Hopkins University Qinli Ma, Yufan Li e il professor Chia-Ling Chien, riferire i loro risultati oggi in Lettere di revisione fisica .

Le indagini in corso da parte dei ricercatori cercano di identificare altri potenziali materiali che consentano la commutazione a campo zero di un singolo nanomagnete perpendicolare, oltre a determinare come cambia il comportamento ZFS per i nanomagneti che possiedono dimensioni laterali più piccole e sviluppare le basi teoriche per questo fenomeno di commutazione inaspettato.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.