Схематическое изображение виртуальных пар электрон-позитрон, случайным образом появляющихся рядом с электроном (внизу слева). Кредит: RJHall/Википедия

Статья группы «Наклонный спиновый ток, генерируемый коллинеарным антиферромагнетиком диоксидом рутения» опубликована 5 мая в Nature Electronics. Соавторами статьи являются исследователь с докторской степенью Арнаб Бозе и докторанты Натаниэль Шрайбер и Ракшит Джейн.

В течение десятилетий физики пытались изменить ориентацию электронных спинов в магнитных материалах, манипулируя ими с помощью магнитных полей. Но исследователи, включая Дэна Ральфа, профессора физики Ф. Р. Ньюмана в Колледже искусств и наук и старшего автора статьи, вместо этого обратились к использованию спиновых токов, переносимых электронами, которые существуют, когда электроны имеют спины, обычно ориентированные в одном направлении.

Когда эти спиновые токи взаимодействуют с тонким магнитным слоем, они передают свой угловой момент и генерируют момент, достаточный для переключения намагниченности на 180 градусов. (Процесс переключения этой магнитной ориентации — это то, как записывают информацию в устройства магнитной памяти.)

Группа Ральфа сосредоточилась на поиске способов управления направлением вращения спиновых токов путем создания их с помощью антиферромагнитных материалов. В антиферромагнетиках спин каждого второго электрона направлен в противоположном направлении, следовательно, результирующая намагниченность отсутствует.

«По сути, антиферромагнитный порядок может понизить симметрию образцов настолько, чтобы позволить существовать нетрадиционным ориентациям спинового тока», — сказал Ральф. «Механизм антиферромагнетиков, по-видимому, также позволяет получать довольно сильные спиновые токи».

Команда экспериментировала с антиферромагнетиком диоксидом рутения и измеряла, как его спиновые токи наклоняют намагниченность в тонком слое никель-железного магнитного сплава под названием пермаллой, который является мягким ферромагнетиком. Чтобы наметить различные компоненты крутящего момента, они измерили его влияние при различных углах магнитного поля.

«Сначала мы не знали, что видим. Это полностью отличалось от того, что мы видели раньше, и нам потребовалось много времени, чтобы понять, что это такое», — сказал Джейн. «Кроме того, эти материалы сложно интегрировать в устройства памяти, и мы надеемся найти другие материалы, которые будут демонстрировать аналогичное поведение и которые можно будет легко интегрировать».

В конечном итоге исследователи определили механизм, называемый «зависимым от импульса расщеплением спина», который уникален для оксида рутения и других антиферромагнетиков того же класса.

«Долгое время считалось, что в антиферромагнетиках электроны со спином вверх и вниз всегда ведут себя одинаково. Этот класс материалов действительно является чем-то новым», — сказал Ральф. «Электронные состояния со спином вверх и вниз по существу имеют разные зависимости. Как только вы начинаете применять электрические поля, это сразу же дает вам способ создавать сильные спиновые токи, потому что электроны со спином вверх и вниз реагируют по-разному. Таким образом, вы можете ускорить один из них больше, чем другой, и таким образом получить сильный спиновой ток».

Этот механизм был выдвинут гипотезой, но никогда ранее не документировался. Когда кристаллическая структура в антиферромагнетике правильно ориентирована внутри устройства, механизм позволяет наклонять спиновый ток под углом, который может обеспечить более эффективное магнитное переключение, чем другие спин-орбитальные взаимодействия.

Теперь команда Ральфа надеется найти способы создания антиферромагнетиков, в которых они смогут управлять доменной структурой — т. е. областями, где магнитные моменты электронов ориентированы в одном направлении — и изучать каждый домен по отдельности, что сложно, поскольку домены обычно смешанные.

В конечном итоге подход исследователей может привести к прогрессу в технологиях, использующих магнитную память с произвольным доступом.

«Мы надеемся создать очень эффективные, очень плотные и энергонезависимые магнитные запоминающие устройства, которые улучшат существующие кремниевые запоминающие устройства», — сказал Ральф. «Это позволило бы реально изменить способ работы памяти в компьютерах, потому что у вас было бы что-то с практически бесконечной долговечностью, очень плотное, очень быстрое, и информация остается, даже если питание отключено. что в эти дни».