Οι φυσικοί κάνουν βήμα προς το ιερό δισκοπότηρο για τα σπιν των ηλεκτρονίων

Εδώ και δεκαετίες, τα φερρομαγνητικά υλικά τροφοδοτούν τεχνολογίες όπως οι μαγνητικοί σκληροί δίσκοι, οι μνήμες μαγνητικής τυχαίας προσπέλασης (MRAM) και οι ταλαντωτές. Όμως τα αντι-μαγνητικά υλικά, αν μπορούσαν να αξιοποιηθούν, υπόσχονται ακόμα μεγαλύτερα οφέλη: εξαιρετικά γρήγορη μεταφορά πληροφορίας και επικοινωνίες σε πολύ υψηλότερες συχνότητες – ένα «ιερό δισκοπότηρο» για τους φυσικούς.

Νέα προσέγγιση για τον έλεγχο των σπιν σε αντι-μαγνητικά υλικά

Τώρα, ερευνητές έκαναν ένα σημαντικό βήμα προς την αξιοποίηση των αντι-μαγνητικών υλικών για νέες τεχνολογίες. Στο άρθρο τους, που δημοσιεύτηκε στο Science, περιγράφουν την καινοτόμο προσέγγισή τους για την ανίχνευση και τον έλεγχο της κίνησης των σπιν μέσα σε αντι-μαγνητικά υλικά 2D μέσω των τούνελ τζάνκσιον.

Και οι δύο τύποι υλικών περιέχουν άτομα που λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες, το καθένα με «σπιν». Σε ένα φερρομαγνητικό υλικό, όλα τα σπιν είναι ευθυγραμμισμένα, παράγοντας εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Σε ένα αντι-μαγνητικό, τα σπιν αλληλοαναιρούνται και δε δημιουργείται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Γι’ αυτό είναι δύσκολη τόσο η ανίχνευση όσο και ο έλεγχος της κίνησης των σπιν στα αντι-μαγνητικά.

Μικροκλίμακα και ηλεκτρική ανίχνευση των σπιν

Μέχρι σήμερα, η ανίχνευση της δυναμικής των σπιν σε αντι-μαγνητικά γινόταν με δείγματα σε κλίμακα χιλιοστών ή μεγαλύτερη, κάτι που δεν προσαρμόζεται σε συσκευές χρήσης, εξηγεί ο συν-συγγραφέας Dan Ralph, καθηγητής Φυσικής στο Cornell.

«Εμείς κατασκευάσαμε μικροσυσκευές σε κλίμακα μικρομέτρου όπου μπορούμε να δούμε ισχυρά σήματα, χρησιμοποιώντας τούνελ τζάνκσιον για ηλεκτρική ανίχνευση των κινήσεων σπιν – σχεδόν χίλιες φορές μικρότερες από πριν».

Το τούνελ είναι μια κβαντική διαδικασία, όπου το ηλεκτρόνιο «διαρρέει» μέσα από ένα φράγμα που κλασικά δεν θα μπορούσε να περάσει, λέει ο Ralph.

«Τα ηλεκτρόνια κάνουν παράξενα πράγματα», πρόσθεσε, αναφερόμενος στο κοινό φαινόμενο της σήραγγας που χρησιμοποιείται σε πολλές τεχνολογίες.

Σε έναν αντιμαγνήτη, τα σπίν (μικροί μαγνητικοί «δείκτες» των ηλεκτρονίων) δείχνουν προς διαφορετικές κατευθύνσεις. Όταν αυτά τα σπίν αλλάζουν κατεύθυνση μέσα σε μια ειδική συσκευή που λέγεται τούνελ – επαφή (μια «γέφυρα» όπου τα ηλεκτρόνια «πηδούν» από το ένα υλικό στο άλλο), αλλάζει και η ηλεκτρική αντίσταση της συσκευής. Αυτή η αλλαγή στην αντίσταση μας βοηθά να μετρήσουμε πώς κινούνται και αλλάζουν τα σπίν μέσα στον αντιμαγνήτη.

Υψηλές ταχύτητες και τομές ανάμεσα σε πεδία

Αυτή η ηλεκτρική ανίχνευση λειτουργεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες, όπου οι περισσότερες τεχνολογίες δεν μπορούν να ανιχνεύσουν.

«Αυτό είναι ένα από τα επιτεύγματά μας: χρησιμοποιούμε αυτή τη συμπεριφορά σήραγγας, που είναι κβαντική, για να διαβάσουμε αυτές τις εξαιρετικά γρήγορες ταλαντώσεις», εξηγεί η συν-συγγραφέας Kelly Luo, βοηθός καθηγήτρια πλέον στο Πανεπιστήμιο της Νότιας Καλιφόρνιας.

Οι ανακαλύψεις ήρθαν και από τη συνύφανση δύο πεδίων: των 2D υλικών και της σπιντρονικής, δηλαδή της ηλεκτρονικής με βάση το σπιν, σύμφωνα με τον κύριο συγγραφέα Thow Min Jerald Cham.

Έλεγχος των σπιν με spin-orbit torque

Για να ελέγξουν τα σπιν στο 2D αντι-μαγνητικό, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν τον μηχανισμό του spin-orbit torque. Πέρασαν ρεύμα φόρτισης μέσα από ένα υλικό για να δημιουργήσουν ρεύμα σπιν που μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον μαγνήτη, ασκώντας ροπή και προκαλώντας κίνηση.

«Ψάχναμε έναν τρόπο να χειριστούμε τα σπιν ώστε να ανιχνεύσουμε ξεχωριστά τα 2D στρώματα, καθώς δεν μπορούσαμε να διαχωρίσουμε ποιο στρώμα έκανε τι. Τότε σκεφτήκαμε να σπάσουμε τη συμμετρία στρέφοντας τα στρώματα», λέει ο Cham, που είναι τώρα μεταδιδακτορικός στο Caltech.

«Με αυτήν τη γεωμετρία, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε εφαρμοζόμενα ρεύματα με spin-orbit torque για να ασκήσουμε δύναμη σε μόνο ένα στρώμα σπιν και όχι στο άλλο, που είναι το πρώτο βήμα για τον έλεγχο της δυναμικής των σπιν», λέει ο Ralph.

Μελλοντικές εφαρμογές νανο-ταλαντωτών

«Οι μελέτες μας δείχνουν ότι τα αντι-μαγνητικά υλικά έχουν μεγάλη προοπτική», γράφουν οι ερευνητές, «για την υλοποίηση νανο-ταλαντωτών για εφαρμογές σε υψηλές συχνότητες». Πρόκειται για πεδίο που συνεχίζουν να εξερευνούν.

Άλλοι συνεργάτες της έρευνας είναι οι Xiaoxi Huang (μεταδιδακτορική συνεργάτης στο εργαστήριο Ralph), Daniel G. Chica και Xavier Roy από το Columbia University, καθώς και Kenji Watanabe και Takashi Taniguchi από το National Institute for Materials Science στην Ιαπωνία.