Современные устройства спинтроники – например, магнитные туннельные переходы – страдают от ограничений, таких как высокое энергопотребление, низкие рабочие температуры и жесткие ограничения при выборе материала. С этой целью группа ученых из Токийского научного университета и Национального института материаловедения (NIMS), Япония, недавно опубликовала исследование в ACS Nano, в котором они представляют удивительно простую, но эффективную стратегию управления углом намагничивания. в магнетите (Fe3O4), типичном ферромагнитном материале.
Команда изготовила полностью твердый окислительно-восстановительный («окислительно-восстановительный») транзистор, содержащий тонкую пленку Fe3O4 на оксиде магния и электролит из силиката лития, легированный цирконием. Введение ионов лития в твердый электролит позволило добиться поворота угла намагничивания при комнатной температуре и существенно изменить плотность электронных носителей. Доцент Тору Хигучи из Токийского научного университета, один из авторов этой опубликованной статьи, говорит: «Применяя напряжение для вставки ионов лития из твердого электролита в ферромагнетик, мы разработали спинтронное устройство, которое может поворачивать намагниченность с меньшими затратами. потребляемая мощность, чем при вращении намагничивания за счет инжекции спинового тока.
Это вращение намагниченности вызвано изменением спин-орбитальной связи из-за инжекции электронов в ферромагнетик."
В отличие от предыдущих попыток, которые основывались на использовании сильных внешних магнитных полей или введении токов с заданным спином, новый подход использует обратимую электрохимическую реакцию. После приложения внешнего напряжения ионы лития мигрируют от верхнего электрода из оксида лития-кобальта и через электролит, прежде чем достичь магнитного слоя Fe3O4.
Затем эти ионы внедряются в структуру магнетита, образуя LixFe3O4 и вызывая измеримое вращение его угла намагничивания из-за изменения носителей заряда.
Этот эффект позволил ученым обратимо изменить угол намагничивания примерно на 10 °. Хотя гораздо большее вращение на 56 ° было достигнуто за счет дальнейшего повышения внешнего напряжения, они обнаружили, что угол намагничивания нельзя полностью переключить обратно. «Мы определили, что это необратимое вращение угла намагничивания было вызвано изменением кристаллической структуры магнетита из-за избытка ионов лития», – объясняет Хигучи. «Если бы мы могли подавить такие необратимые структурные изменения, мы могли бы добиться значительно большего вращения намагниченности."
Новое устройство, разработанное учеными, представляет собой большой шаг в области контроля намагниченности для разработки устройств спинтроники. Кроме того, конструкция устройства относительно проста и проста в изготовлении.
Доктор Такаши Цутия, главный научный сотрудник NIMS, автор исследования, говорит: «Контролируя направление намагничивания при комнатной температуре из-за введения ионов лития в Fe3O4, мы сделали возможным работать с гораздо меньшим энергопотреблением, чем вращение намагниченности за счет инжекции спинового тока. Разработанный элемент имеет простую конструкцию."
Хотя еще предстоит проделать большую работу, чтобы в полной мере использовать преимущества этого нового устройства, неизбежный рост спинтроники, безусловно, откроет множество новых и мощных приложений. «В будущем мы попытаемся добиться поворота на 180 ° по углу намагничивания, – говорит доктор Казуя Терабе, главный исследователь Международного центра наноархитектоники материалов при NIMS и соавтор исследования. мы создаем устройства спинтронной памяти высокой плотности с большой емкостью и даже нейроморфные устройства, имитирующие биологические нейронные системы."Некоторые другие приложения спинтроники находятся в столь востребованной области квантовых вычислений.