Sosteniendo el material correcto en el ángulo correcto, los investigadores de Cornell han descubierto una estrategia para cambiar la magnetización en capas delgadas de un ferromagneto, una técnica que eventualmente podría conducir al desarrollo de dispositivos de memoria magnética más eficientes energéticamente.

El artículo del equipo, "Corriente de espín inclinado generada por el dióxido de rutenio antiferromagnético collineal", publicado el 5 de mayo en Nature Electronics . Los coautores principales del artículo son el investigador postdoctoral Arnab Bose y los estudiantes de doctorado Nathaniel Schreiber y Rakshit Jain.

Durante décadas, los físicos han tratado de cambiar la orientación de los espines de los electrones en los materiales magnéticos manipulándolos con campos magnéticos. Pero investigadores como Dan Ralph, el F.R. El profesor Newman de Física en la Facultad de Artes y Ciencias y el autor principal del artículo, en cambio, han buscado usar corrientes de espín transportadas por electrones, que existen cuando los electrones tienen espines generalmente orientados en una dirección.

Cuando estas corrientes de espín interactúan con una capa magnética delgada, transfieren su momento angular y generan suficiente par para cambiar la magnetización 180 grados. (El proceso de cambiar esta orientación magnética es cómo se escribe información en los dispositivos de memoria magnética).

El grupo de Ralph se ha centrado en encontrar formas de controlar la dirección del espín en las corrientes de espín generándolas con materiales antiferromagnéticos. En los antiferromagnetos, todos los demás espines de los electrones apuntan en la dirección opuesta, por lo que no hay magnetización neta.

"Esencialmente, el orden antiferromagnético puede reducir las simetrías de las muestras lo suficiente como para permitir que existan orientaciones no convencionales de corriente de espín", dijo Ralph. "El mecanismo de los antiferromagnetos también parece proporcionar una forma de obtener corrientes de espín bastante fuertes".

El equipo había estado experimentando con el dióxido de rutenio antiferromagnético y midiendo las formas en que sus corrientes de giro inclinaban la magnetización en una capa delgada de una aleación magnética de níquel-hierro llamada Permalloy, que es un ferromagnético blando. Para mapear los diferentes componentes del par, midieron sus efectos en una variedad de ángulos de campo magnético.

"No sabíamos lo que estábamos viendo al principio. Era completamente diferente de lo que vimos antes, y nos llevó mucho tiempo descubrir qué es", dijo Jain. "Además, estos materiales son difíciles de integrar en los dispositivos de memoria, y nuestra esperanza es encontrar otros materiales que muestren un comportamiento similar que se pueda integrar fácilmente".

Los investigadores finalmente identificaron un mecanismo llamado "división de espín dependiente del momento" que es exclusivo del óxido de rutenio y otros antiferromagnetos de la misma clase.

"Durante mucho tiempo, la gente asumió que en los antiferromagnetos, los electrones giran hacia arriba y hacia abajo siempre se comportan de la misma manera. Esta clase de materiales es realmente algo nuevo", dijo Ralph. "Los estados electrónicos de giro hacia arriba y hacia abajo esencialmente tienen diferentes dependencias. Una vez que comienzas a aplicar campos eléctricos, eso te da inmediatamente una forma de generar fuertes corrientes de giro porque los electrones que giran hacia arriba y hacia abajo reaccionan de manera diferente. Así que puedes acelerar uno de ellos más que el otro y obtener una fuerte corriente de espín de esa manera".

Este mecanismo había sido planteado como hipótesis pero nunca antes documentado. Cuando la estructura cristalina en el antiferromagnético se orienta adecuadamente dentro de los dispositivos, el mecanismo permite que la corriente de espín se incline en un ángulo que puede permitir una conmutación magnética más eficiente que otras interacciones espín-órbita.

Ahora, el equipo de Ralph espera encontrar formas de hacer antiferromagnetos en los que puedan controlar la estructura del dominio, es decir, las regiones donde los momentos magnéticos de los electrones se alinean en la misma dirección, y estudiar cada dominio individualmente, lo cual es un desafío porque los dominios son normalmente mezclado.

Eventualmente, el enfoque de los investigadores podría conducir a avances en tecnologías que incorporen memoria magnética de acceso aleatorio.

"La esperanza sería hacer dispositivos de memoria magnética muy eficientes, muy densos y no volátiles que mejorarían los dispositivos de memoria de silicio existentes", dijo Ralph. “Eso permitiría un cambio real en la forma en que se hace la memoria en las computadoras porque tendrías algo con una resistencia esencialmente infinita, muy denso, muy rápido, y la información permanece incluso si se apaga la alimentación. No hay memoria que lo haga. que en estos días". + Explora más

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