Spintronica, un domeniu emergent al tehnologiei, exploatează rotația (spin) electronilor mai degrabă decât sarcina lor pentru a procesa și stoca informații. Spintronica ar putea duce la computere și dispozitive de stocare mai rapide și mai eficiente din punct de vedere energetic.
Cu toate acestea, majoritatea sistemelor spintronice necesită câmpuri magnetice pentru a controla rotația (spin), ceea ce este o provocare în integrarea dispozitivelor ultra compacte din cauza interferențelor nedorite dintre componente. Această nouă cercetare oferă o modalitate de a depăși această limitare raportează phys.org.
După cum este publicat în Materials Horizons, o echipă de cercetare condusă de Universitatea de Tehnologie și Design din Singapore (SUTD) a introdus o nouă metodă de control al rotației (spinului) electronilor folosind doar un câmp electric. Acest lucru ar putea deschide calea pentru dezvoltarea viitoare a dispozitivelor spintronice ultra-compacte, eficiente din punct de vedere energetic.
Descoperirile lor demonstrează modul în care un tip emergent de material magnetic, un strat dublu altermagnetic, poate găzdui un mecanism nou numit layer-spin locking, permițând astfel manipularea complet electrică a curenților de rotație la temperatura camerei.
Ce este altermagnetismul?
Altermagnetismul este un tip unic de magnetism în care materialele prezintă o proprietate neobișnuită: rotațiile electronilor din material sunt în direcții opuse, creând un echilibru de momente magnetice care anulează orice magnetizare la scară largă. Acest fenomen este diferit de feromagnetismul și antiferomagnetismul tradițional, deoarece duce la capacitatea de a crea curenți de rotație (spin) necoliniari și un comportament electronic unic care poate fi reglat fin. Acest lucru face ca materialele altermagnetice să fie ideale pentru aplicații în spintronica, unde este necesar un control precis asupra stărilor de rotație.
Echipa a descoperit că într-un strat dublu altermagnetic – un sistem compus din două straturi ultra-subțiri de material sulfură de crom (CrS) – electronii se separă în mod natural în straturi cu direcții de rotație opuse. Prin aplicarea unui câmp electric simplu, cercetătorii au descoperit că ar putea comuta complet polarizarea rotației, obținând o polarizare a rotației reversibilă de până la 87% la temperatura camerei.
„Arătăm că rotația poate fi controlată doar de un câmp electric, eliminând nevoia de câmpuri magnetice. Acest lucru deschide calea pentru dispozitive spintronice ultra-compacte, extrem de eficiente”, a spus autorul principal, dr. Rui Peng de la SUTD.
Cum funcționează: O nouă cale pentru controlul rotației
În sistemul cu două straturi, cercetătorii au observat un efect unic pe care îl numesc blocare stratificată a rotației (layer-spin locking). Spre deosebire de materialele magnetice convenționale în care curenții polarizați în rotație sunt influențați de câmpurile magnetice externe, structura cu două straturi permite fiecărui strat să transporte un curent polarizat de rotație opusă. Când este aplicat un câmp electric, acesta ridică selectiv nivelurile de energie ale unui strat peste celălalt, rezultând un curent puternic, reglabil, polarizat de rotație.
„Imaginați-vă că aveți două benzi transportoare care transportă electroni cu rotiri opuse”, a explicat profesorul asistent SUTD Yee Sin Ang, care a condus echipa de cercetare. „Cu un simplu comutator de tensiune, putem face ca o bandă transportoare să domine peste cealaltă, răsturnând rotația electronilor transportați. Aceasta este esența muncii noastre.”
Următorii pași și aplicații din lumea reală
Această descoperire are implicații majore pentru calculatoare de ultimă generație, stocarea datelor și tehnologiile cuantice. Cercetătorii își imaginează că munca lor ar putea inspira noi materiale și modele de dispozitive bazate pe materiale altermagnetice.
Următoarea fază a acestei cercetări se va concentra pe validarea experimentală și pe crearea dispozitivelor prototip. Echipa explorează modalități de a integra sistemul său cu două straturi în circuitele din lumea reală și de a-și demonstra fezabilitatea în aplicațiile comerciale spintronice.
„Scopul final este de a dezvolta dispozitive spintronice practice, fabricabile, care pot depăși electronicele pe bază de siliciu de astăzi”, a adăugat profesorul asistent Ang. „Acest studiu oferă planul pentru cum putem ajunge acolo”.
Pe măsură ce cursa pentru dezvoltarea calculatoarelor de ultimă generație se accelerează, spintronica complet electrică va juca un rol esențial. Acest studiu reprezintă un pas semnificativ înainte, demonstrând că, cu ingineria materialelor potrivită, viitorul calculului ultra-rapid și eficient din punct de vedere energetic ar putea fi mai aproape decât credem.
Această cercetare a fost realizată în colaborare de SUTD, Universitatea de Știință și Tehnologie din Hong Kong, Institutul de Tehnologie din Beijing, Universitatea Zhejiang și A*STAR Singapore.
În română termenul corect este spin, nu rotație.