Un fenómeno inesperado conocido como conmutación de campo cero (ZFS) podría conducir a dispositivos informáticos y de memoria de menor potencia de lo que es posible actualmente. La imagen muestra una capa de platino (Pt), tungsteno (W), y un imán de cobalto-hierro-boro (CoFeB) intercalado en los extremos por electrodos de oro (Au) sobre una superficie de silicio (Si). Las flechas grises representan la dirección general de la corriente eléctrica inyectada en la estructura en la parte posterior del contacto de oro (Au) y que sale de la almohadilla de contacto de oro frontal.

La capa CoFeB es un imán de nanómetros de espesor que almacena un poco de datos. Un "1" corresponde a la magnetización CoFeB apuntando hacia arriba (flecha hacia arriba), y un "0" representa la magnetización apuntando hacia abajo (flecha hacia abajo). El "0" o el "1" se pueden leer tanto eléctrica como ópticamente, a medida que la magnetización cambia la reflectividad de la luz que brilla sobre el material a través de otro fenómeno conocido como efecto Kerr magneto-óptico (MOKE).

En el dispositivo, la corriente eléctrica puede cambiar el estado de los datos entre 0 y 1. Los dispositivos anteriores de este tipo también han requerido un campo magnético u otras medidas más complejas para cambiar la magnetización del material. Esos dispositivos anteriores no son muy útiles para construir estables, dispositivos de memoria no volátil.

Se produjo un gran avance en una colaboración de investigación entre la Universidad Johns Hopkins y el NIST. El equipo descubrió que podían cambiar la magnetización de CoFeB de manera estable entre los estados 0 y 1 enviando solo corriente eléctrica a través de las capas de metal Pt y W adyacentes al nanomagnet CoFeB. No necesitaban un campo magnético. Este efecto ZFS (cambio de campo cero) fue una sorpresa y no se había predicho teóricamente.

En su trabajo, los investigadores crearon un tipo especial de corriente eléctrica conocida como corriente de "espín". Los electrones que transportan la corriente eléctrica poseen una propiedad conocida como espín que se puede imaginar como una barra magnética que apunta en una dirección específica a través del electrón. Cada vez más explotado en el campo emergente conocido como "espintrónica, "La corriente de espín es simplemente una corriente eléctrica en la que los espines de los electrones apuntan en la misma dirección. A medida que un electrón se mueve a través del material, la interacción entre su giro y su movimiento (llamado torque de giro-órbita, SOT) crea una corriente de espín donde los electrones con un estado de espín se mueven perpendicularmente a la corriente en una dirección y los electrones con el estado de espín opuesto se mueven en la dirección opuesta. Los espines resultantes que se han movido adyacentes a la capa magnética CoFeB ejercen un torque en esa capa, provocando que su magnetización se invierta. Sin la corriente de giro, la magnetización de CoFeB es estable frente a cualquier fluctuación de corriente y temperatura. Este efecto ZFS inesperado plantea nuevas preguntas a los teóricos sobre el mecanismo subyacente del fenómeno de conmutación inducido por SOT observado.

Los detalles del par de giro en órbita se ilustran en el diagrama. Las flechas violetas muestran los giros de los electrones en cada capa. La flecha curva azul muestra la dirección en la que se desvían los giros de ese tipo. (Por ejemplo, en la capa W, Los electrones con espín hacia la izquierda en el plano xy se desvían para moverse hacia arriba hacia CoFeB y los espines del electrón hacia la derecha se desvían para moverse hacia abajo, hacia el Pt.) Note que el electrón gira en el Pt con espín hacia la derecha (en el plano xy), sin embargo, se desvían para moverse hacia arriba hacia el W y el electrón gira con giro a la izquierda se desvían para moverse hacia abajo hacia el Si. Esto es opuesto a la dirección en la que el electrón gira en el movimiento W, y esto se debe a las diferencias en el SOT que experimentan los electrones que se mueven a través de Pt y los que se mueven a través de W. De hecho, es esta diferencia en la forma en que los electrones se mueven a través de cada uno de estos dos conductores lo que puede ser importante para permitir el efecto inusual de ZFS.

El equipo de investigación incluidos los científicos del NIST Daniel Gopman, Robert Shull, y el investigador invitado del NIST Yury Kabanov, y los investigadores de la Universidad Johns Hopkins Qinli Ma, Yufan Li y la profesora Chia-Ling Chien, reportar sus hallazgos hoy en Cartas de revisión física .

Las investigaciones en curso de los investigadores buscan identificar otros materiales prospectivos que permitan el cambio de campo cero de un solo nanomaimán perpendicular. así como determinar cómo cambia el comportamiento de ZFS para nanoimanes que poseen tamaños laterales más pequeños y desarrollar la base teórica para este fenómeno de conmutación inesperado.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.