W jaki sposób izolator z cienkim atomem pomaga w przenoszeniu spinów?

Warstwa środkowa zbudowana z kilku atomów pomaga usprawnić przenoszenie prądów spinowych z jednego materiału na drugi. Do tej pory proces ten wiąże się ze znacznymi stratami. Zespół z Uniwersytetu Martina Luthera w Halle-Wittenberg (MLU), Instytutu Fizyki Mikrostruktury im. Maxa Plancka (MPI) i Freie Universität Berlin informuje w czasopiśmie naukowym ACS Nano Letters, jak tego uniknąć. W ten sposób naukowcy wykazali ważne nowe spostrzeżenia dotyczące wielu zastosowań spintronicznych, na przykład energooszczędnych i szybkiego przechowywania technologii przyszłości.

W nowoczesnej mikroelektronice ładunek elektronów jest wykorzystywany do przesyłania informacji w podzespołach elektronicznych, telefonach komórkowych i nośnikach pamięci. Przenoszenie ładunku wymaga stosunkowo dużej ilości energii i generuje ciepło. Spintronics może zaoferować energooszczędną alternatywę. Podstawową ideą jest wykorzystanie rotacji w przetwarzaniu informacji. Spin to wewnętrzny moment pędu elektronów, który wytwarza moment magnetyczny. Generuje to magnetyzm, który ostatecznie zostanie wykorzystany do przetwarzania informacji.

W x-elektronice prądy spinowe również muszą być przenoszone z jednego materiału na drugi. „W wielu przypadkach transport rotacyjny przez interfejsy jest procesem bardzo stratnym” – wyjaśnia profesor George Waltersdorf z MLU, który kierował badaniami. Zespół szukał sposobu na złagodzenie tych strat, stosując podejście, które początkowo wydawało się nieco paradoksalne: połączyli barierę izolacyjną między dwoma materiałami. „Zaprojektowaliśmy izolator na poziomie atomowym, aby zamieniał się w metal i mógł przewodzić prądy spinowe. Umożliwiło nam to radykalną poprawę transportu spinu i poprawę właściwości międzyfazowych” – podsumowuje proces Woltersdorf. Próbki materiałów zostały wyprodukowane w Instytucie Fizyki Mikrostruktury im. Maxa Plancka. Nieoczekiwany efekt został wykryty przez pomiary transportu rotacyjnego przeprowadzone na MLU i Freie Universität Berlin. Zespół dostarcza również teoretyczne podstawy dla nowego odkrycia. Według Woltersdorfa można to opisać za pomocą stosunkowo prostych modeli bez sprzężenia spinowo-orbitalnego.

Wyniki mają duże znaczenie dla wielu zastosowań spintronicznych. Na przykład można je wykorzystać do ulepszenia spintronicznych emiterów terahercowych. Promieniowanie terahercowe znajduje zastosowanie nie tylko w badaniach, ale także w elektronice wysokiej częstotliwości, medycynie, testowaniu materiałów i technologii komunikacyjnej.

Badanie zostało sfinansowane przez Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, Niemiecka Fundacja Badawcza) i Unię Europejską.

Odniesienie:

1. Mehmet Emin Wahda, Ersoy Şaşioğlu, Wolfgang Hubei, Shilin Zhu, Hakan Deniz, Reza Rozgar, Tobias Kampfrath, Ingrid Mertigue, Stewart S.P. Barkin, George Waltersdorf. Sterowanie w skali atomowej transmisji prądu spinowego na interfejsach. Litery nano, 2022; DOI: 10.1021 / acs.nanolett.1c04358