Il rapido aumento del consumo di energia legato alle tecnologie digitali è una grande sfida globale. Un problema chiave è la riduzione del consumo energetico dei dispositivi di memorizzazione dati magnetici, che vengono utilizzati, Per esempio, nei grandi data center.

Un team di ricerca internazionale guidato dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) e con la partecipazione della prof.ssa Karin Leistner e del dott. Jonas Zehner della cattedra di sensori elettrochimici e accumulo di energia presso l'Institute of Chemistry della Chemnitz University of Technology (in precedenza capo del Il gruppo di ricerca Magneto-ionica e Nanoelettrodeposizione presso l'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali (IFW) di Dresda) ora dimostra l'inversione di magnetizzazione di 180° mediante il caricamento di idrogeno indotto dalla tensione nei ferrimagneti.

Questo risultato è di eccezionale rilevanza, poiché l'inversione della magnetizzazione a 180° da parte di campi puramente elettrici è intrinsecamente difficile da principi fondamentali, ma promette una drastica riduzione del consumo di energia per la commutazione di magnetizzazione. Per l'applicazione nella memorizzazione e manipolazione dei dati, La commutazione della magnetizzazione a 180° è fondamentale, in quanto la magnetizzazione nei singoli bit è solitamente opposta di 180°. Così, il risultato dello studio ha il potenziale per aprire la strada a una drastica riduzione del consumo energetico globale per l'archiviazione dei dati.

Oltre ai partecipanti del MIT e della Chemnitz University of Technology, il gruppo di ricerca comprendeva scienziati dell'Università del Minnesota, Korea Institute of Science and Technology e ALBA Synchrotron a Barcellona. Il comando è stato preso dagli scienziati dei materiali Dr. Mantao Huang e Prof. Geoffrey Beach del MIT, esperti in dispositivi magnetoionici a base di idrogeno e spintronica.

I risultati sono stati pubblicati sulla rinomata rivista Nanotecnologia della natura .

Nuovo approccio

Nei supporti magnetici per la memorizzazione dei dati, come dischi rigidi o MRAM (memorie magnetiche ad accesso casuale), le informazioni vengono memorizzate attraverso uno specifico allineamento di magnetizzazione in aree microscopiche. La direzione della magnetizzazione è solitamente regolata da correnti elettriche o campi magnetici locali - questi campi magnetici sono generati anche da correnti elettriche in microbobine. In entrambi i casi, la corrente elettrica porta alla perdita di energia per riscaldamento Joule. Perciò, il controllo della magnetizzazione da parte dei campi elettrici è un approccio promettente per ridurre il consumo energetico delle tecnologie di dati magnetici. Finora, però, il controllo del campo elettrico della magnetizzazione richiede tensioni elevate o è limitato alle basse temperature.

Come nuovo approccio alla commutazione della magnetizzazione indotta dalla tensione, il team di ricerca ha sfruttato le proprietà specifiche dei ferrimagneti. I ferrimagneti offrono una configurazione multi-sottoreticolo con magnetizzazioni del sottoreticolo di diverse grandezze opposte l'una all'altra. La magnetizzazione netta deriva dall'aggiunta dei contributi del sottoreticolo. I ferrimagneti hanno anche vantaggi tecnologici rispetto ai ferromagneti usati convenzionalmente, come consentono, Per esempio, dinamica di spin veloce.

Per il gadolinio-cobalto ferrimagnetico (GdCo) i ricercatori potrebbero dimostrare che le relative magnetizzazioni del sottoreticolo possono essere commutate in modo reversibile dal carico/scarico di idrogeno indotto dalla tensione. Per questo, il GdCo è stato combinato con uno strato di ossido di gadolinio (GdOx) come elettrolita allo stato solido e uno strato intermedio di palladio (Pd). Applicando una tensione di gate attraverso la struttura, i protoni sono guidati all'elettrodo inferiore e portano all'idrogenazione dello strato di Pd/GdCo. L'introduzione dell'idrogeno nel reticolo del GdCo porta a una riduzione più forte della magnetizzazione del sottoreticolo del Gd rispetto a quella del Co. Questo cosiddetto effetto magneto-ionico è stabile per più di 10.000 cicli. Potrebbe essere evidenziato dalla spettroscopia di dicroismo circolare magnetico a raggi X (XMCD) specifico per elemento ed è il fondamento della commutazione della magnetizzazione dimostrata.

Per ottenere un'inversione di magnetizzazione di 180° senza campi magnetici esterni, i ricercatori hanno funzionalizzato la struttura dello strato di GdCo/Pd/GdOx con uno strato aggiuntivo di ossido di nichel (NiO) antiferromagnetico. Qui, beneficiano del cosiddetto effetto "Exchange Bias". Questo effetto si verifica quando strati ferri o ferromagnetici vengono messi a contatto con uno strato antiferromagnetico. Si basa sull'accoppiamento degli spin magnetici interfacciali e porta alla fissazione della direzione di magnetizzazione del ferro/ferrimagnete. Viene utilizzato l'effetto di distorsione dello scambio, per esempio., nei sensori magnetici nelle testine di lettura dei dischi rigidi per fissare la direzione di magnetizzazione di uno strato di riferimento. Per GdCo ferromagnetico, il contatto con l'antiferromagnetico NiO porta ad un pinning della direzione delle magnetizzazioni del sottoreticolo. In questo caso, durante la commutazione magneto-ionica, la magnetizzazione della rete commuta di 180°. Questo significa, per la prima volta, un'inversione di magnetizzazione controllata da un campo puramente elettrico senza l'assistenza di un campo magnetico.

La prof.ssa Karin Leistner e il dott. Jonas Zehner hanno apportato la loro esperienza sul trasferimento del controllo magneto-ionico ai sistemi di polarizzazione di scambio. "Il mio gruppo studia intensamente la combinazione di sistemi magneto-ionici con strati aniferromagnetici e siamo ormai esperti nel controllo magneto-ionico del bias di scambio, " spiega la prof.ssa Karin Leistner. Durante il suo periodo di dottorato nel gruppo di ricerca di Karin Leistner presso l'IFW di Dresda, Jonas Zehner ha colto l'occasione per un soggiorno di ricerca di sei mesi nel gruppo del Prof. Beach al MIT. Durante questo soggiorno di ricerca, insieme alla Prof.ssa Karin Leistner e al Prof. Geoffrey Beach, Jonas Zehner ha avviato e ottimizzato la struttura dello strato di polarizzazione dello scambio richiesta per l'inversione della magnetizzazione a 180°. Per questo, per primo ha combinato il sistema modello magneto-ionico Co/GdOx con l'antiferromagnetico NiO. Ha preparato sistemi a film sottile mediante magnetron sputtering e ha analizzato l'influenza dello spessore, composizione e sequenza di strati sulla polarizzazione di scambio risultante e controllo magneto-ionico. Le proprietà magnetiche durante il caricamento dell'idrogeno sono state misurate con una configurazione Kerr Effect magneto-ottica costruita in casa. Con questi esperimenti, ha scoperto che uno strato di Pd ultrasottile tra il GdCo e il NiO è cruciale per stabilizzare l'effetto di bias di scambio.