Marcando un gran logro en el campo de la espintrónica, Investigadores del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Yale han demostrado la capacidad de controlar la dinámica de espín en materiales magnéticos alterando su espesor. El estudio, publicado hoy en Materiales de la naturaleza , podría conducir a más pequeños, dispositivos electrónicos más eficientes desde el punto de vista energético.

"En lugar de buscar diferentes materiales que compartan las frecuencias adecuadas, ahora podemos alterar el grosor de un solo material:hierro, en este caso, para encontrar un medio magnético que permita la transferencia de información a través de un dispositivo, ", dijo la física e investigadora principal de Brookhaven, Valentina Bisogni.

La electrónica tradicional se basa en una propiedad fundamental de los electrones, la carga, para transmitir información. Pero a medida que la corriente eléctrica fluye a través de un dispositivo, disipa el calor, limitar la forma en que se pueden diseñar dispositivos pequeños sin el riesgo de sobrecalentamiento y sacrificar el rendimiento. Para satisfacer la demanda de dispositivos electrónicos más pequeños y avanzados, los investigadores están buscando un enfoque alternativo basado en una propiedad fundamental diferente de los electrones:el espín. Similar a cargar, El giro puede moverse a lo largo de un material como una corriente. La diferencia es que una corriente de carga se compone de electrones que se mueven físicamente, mientras que en un espín "corriente, "los electrones no se mueven; más bien, se entregan la dirección de giro como si se pasaran un testigo en una carrera de relevos, una que tiene una larga cadena de "corredores" que en realidad nunca corren.

"Siempre se necesita más memoria o capacidad de almacenamiento en los dispositivos electrónicos, y la disipación de calor nos impide crear dispositivos a menor escala, ", Dijo Bisogni." Depender del giro en lugar de la carga reduce significativamente el sobrecalentamiento en los dispositivos, por lo que el objetivo de la espintrónica es lograr las mismas funcionalidades del dispositivo, o mejor, que ya se conocen en la electrónica tradicional, sin los inconvenientes ".

Hasta la fecha, la dinámica de espín se ha medido típicamente utilizando técnicas de dispersión de neutrones; sin embargo, este método requiere que las muestras se estudien a granel (varios gramos de muestra a la vez). En aplicaciones del mundo real, el material debe reducirse a tamaños mucho más pequeños.

"Es muy difícil predecir cómo se comportarán ciertos materiales en diferentes escalas de longitud, ", Dijo Bisogni." Dado que muchos dispositivos electrónicos constan de una cantidad muy pequeña de material, es importante estudiar cómo se comparan las propiedades de una película delgada con las de la masa ".

Para abordar esta cuestión científica, El equipo de investigación utilizó una técnica llamada dispersión de rayos X inelástica resonante (RIXS) para estudiar películas delgadas de hierro tan delgadas como un nanómetro. Aunque RIXS está bien establecido en el campo científico, este estudio es solo uno de los pocos ejemplos en los que los investigadores han utilizado esta técnica para estudiar la dinámica de espín en un material tan delgado. El logro fue posible gracias a las capacidades avanzadas de la línea de luz de Dispersión de rayos X inelásticos blandos (SIX) en la Fuente de luz sincrotrón nacional II (NSLS-II), una instalación para usuarios de la Oficina de ciencia del DOE en el Laboratorio nacional de Brookhaven.

"Pudimos realizar estas mediciones combinando la fuente de rayos X ultrabrillante en NSLS-II con la resolución de energía y el espectrómetro incomparables en la línea de luz SIX, "dijo Jonathan Pelliciari, autor principal del estudio y científico de SIX.

La línea de luz SIX está equipada con un brazo espectrómetro de 50 pies de largo, ubicado en su propio edificio adyacente al piso experimental de NSLS-II. Este largo El brazo móvil permite a SIX obtener una resolución de energía extremadamente alta y revelar el movimiento colectivo de los electrones y su giro dentro de un material.

Primero estudiando el hierro a granel, el equipo de investigación confirmó los resultados de técnicas anteriores de dispersión de neutrones. Luego, a medida que avanzaban hacia materiales más delgados, no solo observaron con éxito la dinámica de espín a escala atómica, pero también se descubrió que el grosor podría actuar como una "perilla" para ajustar y controlar la dinámica de giro.

"Fue emocionante ver la forma en que el hierro mantuvo sus propiedades ferromagnéticas desde el volumen hasta unas pocas monocapas, "dijo Bisogni, científico líder de líneas de luz en SIX. "Siendo el hierro un material tan elemental y simple, consideramos que este es un caso de referencia para estudiar la evolución de las propiedades en función del espesor utilizando RIXS ".

Pelliciari agregado, "Este trabajo es el resultado de una fuerte sinergia entre instalaciones de clase mundial. Además del experimento de alto nivel y el estudio de caracterización realizado en NSLS-II, esta investigación no hubiera sido posible sin la experiencia y las capacidades de síntesis de vanguardia de nuestros colegas de la Universidad de Yale ".

"Debido a que Yale está a solo dos horas de NSLS-II, Pude participar plenamente en el experimento, "dijo Sangjae Lee, estudiante de posgrado en el laboratorio Charles Ahn de la Universidad de Yale. Lee y Ahn son coautores del estudio. "Este experimento fue una oportunidad inspiradora para realizar mediciones prácticas de sincrotrón con científicos de clase mundial en NSLS-II".

Los investigadores del departamento de física de la materia condensada y ciencia de los materiales de Brookhaven también proporcionaron apoyo teórico para la mejor interpretación de los datos experimentales.

El equipo de investigación de SIX seguirá utilizando RIXS para observar las propiedades de los materiales relacionados con la espintrónica. Su objetivo final es desarrollar un "interruptor de encendido o apagado" para controlar la dinámica de espín en los dispositivos y comprender el mecanismo microscópico subyacente.