Un'illustrazione mostra la carica non convenzionale alla trasduzione di spin in un materiale quantistico con struttura cristallina a bassa simmetria. (Sinistra) Un modello che mostra la struttura cristallina di WTe2 , dove l'asse a e l'asse b sono etichettati. Il cristallo è invariante (non invariante) su un'operazione speculare bc (ac). (In alto a destra) Quando una corrente di carica (mostrata dalla freccia gialla) viene applicata lungo l'asse b, c'è solo una componente nel piano della polarizzazione dello spin, come mostrato dalle frecce verdi. (In basso a destra) D'altra parte, quando una corrente di carica viene applicata lungo l'asse a, c'è una componente fuori piano della polarizzazione di spin, come mostrato dalle frecce verdi. Questa corrente di rotazione orientata fuori dal piano viene utilizzata per commutare la magnetizzazione in questo lavoro. Credito:Carnegie Mellon University
Quando i dottorandi della Carnegie Mellon University I-Hsuan Kao e Ryan Muzzio hanno iniziato a lavorare insieme, è scattato un interruttore. Poi via.
Lavorando nel gruppo LIQUID (Laboratorio per l'indagine sui materiali, le interfacce e i dispositivi quantistici del Dipartimento di fisica), Kao, Muzzio e altri partner di ricerca sono stati in grado di mostrare la prova del concetto che il passaggio di una corrente elettrica attraverso un nuovo materiale bidimensionale potrebbe controllare il stato magnetico di un materiale magnetico vicino senza la necessità di applicare un campo magnetico esterno.
Il lavoro pionieristico, che è stato pubblicato su Nature Materials a giugno e ha un relativo brevetto in attesa di brevetto, ha potenziali applicazioni per l'archiviazione dei dati in prodotti di consumo come fotocamere digitali, smartphone e laptop.
"Quello che stiamo facendo qui è utilizzare materiali ultrasottili, spesso dello spessore di pochi atomi, e impilarli uno sopra l'altro per creare dispositivi di alta qualità", ha affermato Kao (a destra), che è stato il primo autore del documento.
Simranjeet Singh, un assistente professore di fisica e Jyoti Katoch, un assistente professore di fisica, supervisionano il LIQUID Group, che studia le proprietà fisiche intrinseche dei materiali quantistici bidimensionali come il ditelluride di tungsteno (WTe2 ) e le loro proprietà elettroniche e relative allo spin.
"Spins e magnetismo sono ovunque intorno a noi", ha detto Singh. "Gli atomi si configurano in un modo particolare su un reticolo atomico che a sua volta determina le proprietà dei materiali. Per WTe2 , ha una struttura cristallina a bassa simmetria che ci consente di generare un tipo speciale di corrente di spin applicando un campo elettrico."
Il modo in cui gli atomi sono configurati in WTe2 consente una corrente di spin orientata fuori piano che a sua volta può essere utilizzata per controllare lo stato di magnetizzazione di un magnete. Singh ha affermato che per cambiare lo stato magnetico (su o giù) della maggior parte dei materiali magnetici utilizzando la corrente di spin studiata finora, un campo magnetico viene applicato orizzontalmente o in piano. Avere un materiale in grado di commutare il magnetismo senza la necessità di un campo magnetico esterno può portare a dispositivi logici e di archiviazione dei dati ad alta efficienza energetica.
Il lavoro potrebbe essere applicato a dispositivi magnetoresistivi di memoria ad accesso casuale (MRAM), che hanno il potenziale di realizzare bit di archiviazione dati ad alta velocità e ad alta densità utilizzando meno energia.
"Le persone possono già farlo, puoi prendere un materiale, applicare un campo elettrico per generare corrente di spin orientata nel piano e usarlo per cambiare la magnetizzazione da uno stato alto a uno stato basso o viceversa, ma richiede un campo magnetico", ha detto Muzzio (a sinistra). "Quello a cui questo si riduce è trovare un materiale che abbia la proprietà intrinseca che include la rottura della simmetria."
Kao ha portato competenze sul magnetismo, mentre Muzzio ha capito come costruire i dispositivi e studia il comportamento degli elettroni nei sistemi materiali. Per dimostrare che il comportamento era riproducibile, Kao e Muzzio hanno creato più di 20 dispositivi in due anni.
I semplici dispositivi sono minuscoli e consentono di ruotare un interruttore in una posizione in alto o in una posizione in basso, pensalo come zeri e uno in binario, ha detto Kao. Sebbene i dispositivi possano avere una lunghezza o una larghezza di 3-50 micron, lo spessore è inferiore a 1/200 di un capello umano.
"Abbiamo appena scalfito la superficie di ciò che questo materiale può fare", ha detto Muzzio. "C'è molto più spazio per i parametri da esplorare e tanti modi per utilizzare questo materiale. Questo è solo l'inizio". + Esplora ulteriormente
