Crédito:Gupta et al.
Investigadores de la Universidad de Twente y la Universidad Normal de Beijing han realizado recientemente un estudio que investiga el parámetro conocido como pérdida de memoria de espín (SML) para una variedad de interfaces diferentes, utilizando una combinación de métodos teóricos y computacionales. Su papel publicado en Cartas de revisión física , ofrece nuevos conocimientos valiosos que podrían informar el diseño de interfaces más eficientes.
"El santo grial en nuestro campo de estudio es un nuevo concepto en el almacenamiento de memoria magnética que sería 100% electrónico; es decir, potencialmente más rápido, más denso y confiable que las unidades de disco duro (HDD) actuales que forman la columna vertebral de Internet (por ejemplo, granjas de datos) y que se basan en un disco magnético que gira mecánicamente donde se accede a los datos mediante un cabezal de lectura / escritura que flota solo nanómetros por encima del disco duro que gira rápidamente, "Paul Kelly, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "El nuevo concepto se basa en algo llamado efecto Hall de giro (SHE), que se predijo teóricamente hace 50 años, pero se observó por primera vez en semiconductores en 2004 y dos años después en metales ".
Además de tener un cargo, los electrones tienen un giro, lo que significa que pueden actuar como 'peonzas'. Asociado con este giro hay un momento magnético. El SHE es una consecuencia directa del efecto relativista llamado acoplamiento espín-órbita (SOC), que 'acopla' cómo giran los electrones (en sentido horario o antihorario) con cómo se mueven alrededor de los átomos.
Como resultado de este efecto, cuando una corriente de carga atraviesa una losa de un metal pesado como el platino, excita una corriente de giro en ángulo recto con la corriente de carga. Si el platino está en contacto con un material magnético como el hierro, níquel o permalloy, una aleación de FeNi, la 'corriente de espín' es impulsada hacia este material magnético vecino.
Figura que explica el efecto Hall de giro. Crédito:Gupta et al.
"En las circunstancias adecuadas, esta corriente de espín puede reorientar la dirección en la que apunta el momento magnético:arriba es '1', abajo es '0'; y tenemos la base de un nuevo tipo de memoria magnética, Kelly explicó. Aquí es donde entramos nosotros.
Como Kelly continúa explicando, la corriente de espín generalmente se degrada cuando pasa del cable de Pt al material magnético, lo que ocurre a menudo en las interfaces entre dos materiales diferentes. Esta degradación en la corriente, conocido como 'pérdida de memoria de giro' (SML), ha sido el foco de muchos estudios, incluido el realizado por el equipo de Kelly, y, sin embargo, actualmente se sabe muy poco al respecto.
"Lo que se sabe hasta ahora sobre SML se ha obtenido de experimentos a baja temperatura, mientras que el 99% de interés está en lo que sucede a temperatura ambiente, la temperatura de importancia para numerosas aplicaciones, Kelly dijo. "Nuestra investigación se ha orientado a poder estudiar propiedades como esta".
El principal objetivo del estudio realizado por Kelly y sus colegas fue estudiar el SML y su comportamiento en diferentes interfaces y a temperaturas finitas (donde las vibraciones atómicas inducidas por la temperatura y las fluctuaciones en los momentos magnéticos son inevitables). Los investigadores se centraron en cuatro combinaciones de materiales que se utilizan normalmente cuando se intenta desarrollar un almacenamiento de memoria magnética que sea completamente electrónico.
Se inyecta una corriente de espín completamente polarizada en una bicapa de Au / Pt con una interfaz nítida (línea negra vertical), dos capas de interfaz Au50Pt50 (región sombreada en amarillo), y cuatro capas de interfaz Au50Pt50 (región sombreada en verde) entre ellas. Las corrientes de espín calculadas para los tres casos se muestran como círculos grises, diamantes amarillos, y cuadrados verdes, respectivamente. La línea azul sólida indica un ajuste a la ecuación VF en Au. El sólido punteado y las líneas rojas punteadas indican ajustes a la ecuación VF en Pt para Au / Pt, Au / Au50Pt50 (2) Pt, y Au / Au50Pt50 (4) jPt, respectivamente. (Recuadro) δ vs ARI para N ¼ 0, 2, y 4 capas de interfaz de Au50Pt50 mixto. Crédito:Gupta et al.
Durante los últimos 20 años, Kelly y sus colegas han desarrollado códigos de computadora que pueden usarse para estudiar el transporte de electrones y espines (es decir, transporte giratorio) en materiales complejos. Estos códigos se basan en resolver la 'ecuación de Schrödinger' de la mecánica cuántica en una forma llamada "teoría de la dispersión", que significa que el comportamiento de los electrones es en términos de ondas de materia.
"Dos pasos importantes en el desarrollo de estos códigos fueron la inclusión de efectos relativistas, a saber, SOC y temperatura en forma de celosía inducida por temperatura y desorden de espín, "Kelly dijo." A medida que aumenta la temperatura de un material, los átomos que componen el material vibran cada vez más; esto se llama trastorno de celosía. Si el material es ferromagnético, entonces los momentos magnéticos en los átomos giran alejándose de su original, orientación uniforme ".
Como paso final en el desarrollo de código para estudiar el transporte de espines a través de interfaces, Kelly y sus colegas utilizaron los resultados de sus cálculos de 'dispersión' de la mecánica cuántica para calcular las corrientes de carga y espín observadas por los experimentadores. Este proceso finalmente les permitió estudiar el SHE en interfaces, así como la degradación de las corrientes de giro a medida que pasan de un material a otro (es decir, SML).
"La diferencia clave entre nuestro estudio y los realizados por otros equipos de investigación es que hace mucho tiempo que identificamos las interfaces como un objetivo clave y enfocamos el desarrollo de nuestro código en poder estudiar interfaces entre materiales que tienen tamaños muy diferentes (es decir, constantes de celosía) ", dijo Kelly." Esto implicó hacer un uso extensivo de 'métodos de matriz dispersa' para poder manejar las enormes matrices numéricas que resultan de describir interfaces de manera realista ".
Círculos abiertos:corriente de espín jS (z) a través de una tricapa de Pt Py Pt calculada para T =300 K. La curva azul sólida (naranja) se ajusta a las ecuaciones de VF en Pt (Py) a granel. Estos ajustes se extrapolan a la interfaz zI para obtener los valores js, Pt (ZI) y Js, Py (ZI) se muestra en detalle en el recuadro derecho. (Recuadro izquierdo) La corriente de espín con (rojo) y sin (azul) momentos inducidos por proximidad en Pt. Crédito:Gupta et al.
Kelly y sus colegas fueron los primeros en estudiar el transporte de espín en función de la temperatura a través de interfaces realistas. Además de introducir valores numéricos para los parámetros que describen este transporte, recopilaron información valiosa sobre cómo estos parámetros varían en diferentes interfaces, así como su dependencia de los tipos de trastornos que les afectan.
En particular, los investigadores observaron que las interfaces no magnéticas tienen una dependencia mínima de la temperatura, mientras que las interfaces que contienen ferromagnetos dependen en gran medida de la temperatura. También encontraron que el SML era mayor para ciertas interfaces, especialmente cuando el paso entre los diferentes materiales es más abrupto (por ejemplo, interfaces Co / Pt).
Finalmente, Kelly y sus colegas descubrieron que el SML se puede mejorar significativamente mediante el desajuste de la red y la aleación de la interfaz. En el futuro, las observaciones y conocimientos que recopilaron guiarán el diseño de interfaces más efectivas con varias aplicaciones posibles.
"Como siguiente paso, queremos estudiar directamente el proceso mediante el cual una corriente de giro generada por el SHE en un metal pesado se inyecta en varios otros materiales, no magnéticos y magnéticos, para hacer un contacto más cercano con la memoria magnética y los nanodispositivos relacionados, Kelly dijo. "También estudiaremos las propiedades de los nuevos materiales ferromagnéticos bidimensionales de van der Waals, que pueden tener distintas propiedades de transporte de carga y espín y cuyas 'interfaces' se supone que juegan un papel clave en la determinación de sus propiedades magnéticas ".
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