El rápido aumento del consumo de energía relacionado con las tecnologías digitales es un gran desafío mundial. Un problema clave es la reducción del consumo de energía de los dispositivos de almacenamiento de datos magnéticos, que se utilizan, por ejemplo, en grandes centros de datos.

Un equipo de investigación internacional liderado por el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y con la participación de la profesora Karin Leistner y el Dr. Jonas Zehner de la Cátedra de Sensores Electroquímicos y Almacenamiento de Energía en el Instituto de Química de la Universidad Tecnológica de Chemnitz (anteriormente director de la El grupo de investigación Magnetoiónica y Nanoelectrodeposición del Instituto Leibniz de Investigación de Materiales y Estado Sólido (IFW) de Dresde ahora demuestra una inversión de magnetización de 180 ° mediante la carga de hidrógeno inducida por voltaje en ferrimagnetos.

Este resultado es de gran relevancia, Dado que la inversión de la magnetización de 180 ° por campos puramente eléctricos es intrínsecamente difícil según los principios fundamentales, pero promete una reducción drástica en el consumo de energía para la conmutación por magnetización. Para su aplicación en almacenamiento y manipulación de datos, La conmutación de magnetización de 180 ° es crucial, ya que la magnetización en los bits individuales suele oponerse a 180 °. Por lo tanto, el resultado del estudio tiene el potencial de abrir un camino para reducir drásticamente el consumo de energía global del almacenamiento de datos.

Además de los participantes del MIT y la Universidad Tecnológica de Chemnitz, el equipo de investigación incluyó a científicos de la Universidad de Minnesota, Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología y Sincrotrón ALBA en Barcelona. Los científicos de materiales Dr. Mantao Huang y el profesor Geoffrey Beach del MIT tomaron la iniciativa. expertos en espintrónica y dispositivos magnetoiónicos basados ​​en hidrógeno.

Los resultados fueron publicados en la reconocida revista Nanotecnología de la naturaleza .

Nuevo enfoque

En medios de almacenamiento de datos magnéticos, como unidades de disco duro o MRAM (memorias magnéticas de acceso aleatorio), la información se almacena a través de una alineación específica de magnetización en áreas microscópicas. La dirección de magnetización generalmente se ajusta mediante corrientes eléctricas o campos magnéticos locales; estos campos magnéticos también son generados por corrientes eléctricas en microbobinas. En ambos casos, la corriente eléctrica provoca una pérdida de energía por calentamiento Joule. Por lo tanto, el control de la magnetización por campos eléctricos es un enfoque prometedor para reducir el consumo de energía de las tecnologías de datos magnéticos. Hasta aquí, sin embargo, El control del campo eléctrico de magnetización requiere altos voltajes o está restringido a bajas temperaturas.

Como un nuevo enfoque hacia la conmutación de magnetización inducida por voltaje, el equipo de investigación aprovechó las propiedades específicas de los ferrimagnetos. Los ferrimagnetos ofrecen una configuración de subred múltiples con magnetizaciones de subred de diferentes magnitudes opuestas entre sí. La magnetización neta surge de la suma de las contribuciones de la subred. Los ferroimanes también tienen ventajas tecnológicas sobre los ferroimanes de uso convencional, como lo permiten, por ejemplo, Dinámica de giro rápido.

Para el gadolinio-cobalto ferrimagnético (GdCo), los investigadores pudieron demostrar que las magnetizaciones relativas de la subred pueden alternarse de forma reversible mediante la carga / descarga de hidrógeno inducida por voltaje. Para esto, el GdCo se combinó con una capa de óxido de gadolinio (GdOx) como electrolito de estado sólido y una capa intermedia de paladio (Pd). Al aplicar un voltaje de puerta a través de la estructura, los protones son conducidos al electrodo inferior y conducen a la hidrogenación de la capa de Pd / GdCo. La introducción de hidrógeno en la red de GdCo conduce a una reducción más fuerte de la magnetización de la subred de Gd que la de Co. Este llamado efecto magnetoiónico es estable durante más de 10 000 ciclos. Podría evidenciarse mediante espectroscopía de dicroísmo circular magnético de rayos X de elementos específicos (XMCD) y es la base de la conmutación de magnetización demostrada.

Para lograr una inversión de magnetización de 180 ° sin campos magnéticos externos, los investigadores funcionalizaron la estructura de la capa de GdCo / Pd / GdOx con una capa adicional de óxido de níquel antiferromagnético (NiO). Aquí, se benefician del llamado efecto "Exchange Bias". Este efecto se produce cuando las capas ferromagnéticas o ferromagnéticas se ponen en contacto con una capa antiferromagnética. Se basa en el acoplamiento de los espines magnéticos interfaciales y conduce a la fijación de la dirección de magnetización del ferro / ferrimagnet. Se utiliza el efecto de sesgo de cambio, p.ej., en sensores magnéticos en cabezales de lectura de unidades de disco duro para fijar la dirección de magnetización de una capa de referencia. Para GdCo ferromagnético, el contacto con el NiO antiferromagnético conduce a una fijación de la dirección de las magnetizaciones de la subred. En este caso, durante la conmutación magneto-iónica, la magnetización neta cambia 180 °. Esto significa por primera vez, una inversión de magnetización controlada por un campo puramente eléctrico sin la ayuda de un campo magnético.

La profesora Karin Leistner y el Dr. Jonas Zehner aportaron su experiencia en la transferencia de control magnetoiónico para intercambiar sistemas de polarización. "Mi grupo estudia intensamente la combinación de sistemas magneto-iónicos con capas aniferromagnéticas y ahora somos expertos en el control magneto-iónico del sesgo de intercambio, "explica el profesor Karin Leistner. Durante su doctorado en el grupo de investigación de Karin Leistner en el IFW Dresden, Jonas Zehner aprovechó la oportunidad de una estancia de investigación de seis meses en el grupo del Prof. Beach del MIT. Durante esta estancia de investigación, junto con la profesora Karin Leistner y la profesora Geoffrey Beach, Jonas Zehner inició y optimizó la estructura de la capa de polarización de intercambio requerida para la inversión de magnetización de 180 °. Para esto, Primero combinó el sistema modelo magneto-iónico Co / GdOx con NiO antiferromagnético. Preparó sistemas de película delgada mediante pulverización catódica con magnetrón y analizó la influencia del espesor, composición y secuencia de capas en la polarización de intercambio resultante y el control magnetoiónico. Las propiedades magnéticas durante la carga de hidrógeno se midieron con una configuración de efecto Kerr magneto-óptico de construcción casera. Con estos experimentos, descubrió que una capa ultrafina de Pd entre el GdCo y el NiO es crucial para estabilizar el efecto de sesgo de intercambio.