Par
Les flèches indiquent les aimantations des réseaux d’atomes de gadolinium (rouge) et de cobalt (bleu) dans un réseau. L’application d’une tension aux électrodes en haut (taches jaunes) charge de l’hydrogène dans le matériau magnétique, ce qui modifie l’amplitude relative des aimantations en dessous, inversant la direction du champ magnétique global dans cette zone. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Le système réversible peut inverser l’orientation magnétique des particules avec une petite tension; pourrait conduire à un stockage de données plus rapide et à des capteurs plus petits.
La plupart des aimants que nous rencontrons quotidiennement sont constitués de matériaux «ferromagnétiques». Les axes magnétiques nord-sud de la plupart des atomes de ces matériaux sont alignés dans la même direction, de sorte que leur force collective est suffisamment forte pour produire une attraction significative. Ces matériaux constituent la base de la plupart des dispositifs de stockage de données dans le monde high-tech d’aujourd’hui.
Les aimants à base de matériaux ferrimagnétiques, avec un “i”, sont moins courants. Dans ceux-ci, certains des atomes sont alignés dans une direction, mais d’autres sont alignés précisément dans le sens inverse. En conséquence, le champ magnétique global qu’ils produisent dépend de l’équilibre entre les deux types – s’il y a plus d’atomes pointés dans un sens que dans l’autre, cette différence produit un champ magnétique net dans cette direction.
En principe, en raison de leurs propriétés magnétiques fortement influencées par des forces externes, les matériaux ferrimagnétiques devraient être capables de produire des circuits de stockage de données ou des circuits logiques beaucoup plus rapides et capables de regrouper plus de données dans un espace donné que les ferroaimants conventionnels actuels. Mais jusqu’à présent, il n’existait aucun moyen simple, rapide et fiable de changer l’orientation de ces aimants, afin de passer d’un 0 à un 1 dans un périphérique de stockage de données.
Les chercheurs de AVEC et ailleurs ont développé une telle méthode, un moyen de changer rapidement la polarité magnétique d’un ferri-aimant à 180 degrés, en utilisant juste une petite tension appliquée. La découverte pourrait inaugurer une nouvelle ère de logique ferrimagnétique et de dispositifs de stockage de données, selon les chercheurs.
Ce schéma illustre la structure des dispositifs conçus pour produire une commutation à 180 degrés de la magnétisation nette en appliquant une tension. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Les résultats apparaissent dans le journal Nature Nanotechnologie, dans un article du postdoctorant Mantao Huang, professeur de science et technologie des matériaux au MIT Geoffrey Beach, et professeur de science et technologie nucléaires Bilge Yildiz, avec 15 autres personnes au MIT et au Minnesota, en Allemagne, en Espagne et en Corée.
Le nouveau système utilise un film de matériau appelé gadolinium cobalt, qui fait partie d’une classe de matériaux connus sous le nom de ferrimagnétiques de métaux de transition de terres rares. Dans celui-ci, les deux éléments forment des réseaux d’atomes imbriqués, et les atomes de gadolinium ont préférentiellement leurs axes magnétiques alignés dans une direction, tandis que les atomes de cobalt pointent dans la direction opposée. L’équilibre entre les deux dans la composition du alliage détermine l’aimantation globale du matériau.
Mais les chercheurs ont découvert qu’en utilisant une tension pour diviser les molécules d’eau le long de la surface du film en oxygène et en hydrogène, l’oxygène peut être évacué tandis que les atomes d’hydrogène – ou plus précisément leurs noyaux, qui sont des protons uniques – peuvent pénétrer profondément dans le matériau. , ce qui modifie l’équilibre des orientations magnétiques. Le changement est suffisant pour changer l’orientation du champ magnétique net de 180 degrés – exactement le genre d’inversion complète qui est nécessaire pour les appareils tels que les mémoires magnétiques.
“Nous avons découvert qu’en chargeant de l’hydrogène dans cette structure, nous pouvons réduire considérablement le moment magnétique du gadolinium”, explique Huang. Le moment magnétique est une mesure de la force du champ produit par le atomel’alignement de l’axe de rotation de .
Parce que le changement est accompli simplement par un changement de tension, plutôt que par un courant électrique appliqué qui provoquerait un échauffement et donc gaspillerait de l’énergie par dissipation thermique, ce processus est très économe en énergie, explique Beach, qui est le co-directeur de la recherche sur les matériaux du MIT. Laboratoire.
Le processus de pompage des noyaux d’hydrogène dans le matériau s’avère remarquablement bénin, dit-il. « On pourrait penser que si vous prenez un matériau et pompez d’autres atomes ou ions dans ce matériau, vous le dilaterez et le casserez. Mais il s’avère que pour ces films, et du fait que le proton est une si petite entité, il peut s’infiltrer dans la majeure partie de ce matériau sans provoquer le type de fatigue structurelle qui conduit à la défaillance.
Cette stabilité a été prouvée par des tests exténuants. Le matériau a été soumis à 10 000 inversions de polarité sans aucun signe de dégradation, dit Huang.
Le matériau a des propriétés supplémentaires qui peuvent trouver des applications utiles, dit Beach. L’alignement magnétique entre les atomes individuels dans le matériau fonctionne un peu comme des ressorts, explique-t-il. Si un atome commence à se désaligner avec les autres, cette force semblable à un ressort le retire. Et lorsque les objets sont reliés par des ressorts, ils ont tendance à générer des ondes qui peuvent se déplacer le long du matériau. « Pour ce matériau magnétique, on les appelle ondes de spin. Vous obtenez des oscillations de magnétisation dans le matériau, et elles peuvent avoir des fréquences très élevées.
En fait, ils peuvent osciller vers le haut de la gamme térahertz, dit-il, « ce qui les rend particulièrement capables de générer ou de détecter un rayonnement électromagnétique à très haute fréquence. Peu de matériaux peuvent le faire.
Des applications relativement simples de ce phénomène, sous la forme de capteurs, pourraient être possibles d’ici quelques années, dit Beach, mais des applications plus complexes telles que les circuits de données et logiques prendront plus de temps, en partie parce que l’ensemble du domaine de la technologie à base de ferrimagnétique est relativement Nouveau.
La méthodologie de base, en dehors de ces types spécifiques d’applications magnétiques, pourrait également avoir d’autres utilisations, dit-il. « C’est un moyen de contrôler les propriétés à l’intérieur de la masse du matériau en utilisant un champ électrique », explique-t-il. « Cela en soi est assez remarquable. » D’autres travaux ont été effectués sur le contrôle des propriétés de surface à l’aide de tensions appliquées, mais le fait que cette approche de pompage d’hydrogène permette une altération aussi profonde permet «le contrôle d’un large éventail de propriétés», dit-il.
“La commutation commandée en tension a été recherchée afin de réduire la consommation d’énergie des dispositifs de spin, qui est le mécanisme central de la technologie moderne du silicium”, explique Hyunsoo Yang, professeur de génie électrique et informatique à l’Université nationale de Singapour, qui n’a pas été associé à cette étude. “Ce travail a appliqué le concept de contrôle de tension dans un ferri-aimant pour basculer le sous-réseau dominant, conduisant à une écriture magnétique efficace”, ajoute-t-il. Si la tension nécessaire peut être réduite et la vitesse améliorée, dit-il, cette nouvelle méthode peut « potentiellement révolutionner le domaine ».
Référence : “Voltage control of ferrimagnetic order and voltage-assisted writing of ferrimagnetic spin textures” par Mantao Huang, Muhammad Usama Hasan, Konstantin Klyukin, Delin Zhang, Deyuan Lyu, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Sara Sheffels, Alexandra Churikova, Felix Büttner, Jonas Zehner, Lucas Caretta, Ki-Young Lee, Joonyeon Chang, Jian-Ping Wang, Karin Leistner, Bilge Yildiz et Geoffrey SD Beach, 29 juillet 2021, Nature Nanotechnologie.
DOI : 10.1038 / s41565-021-00940-1
L’équipe comprenait des chercheurs de l’Université du Minnesota, la source de lumière synchrotron ALBA à Barcelone, en Espagne; l’Université de Technologie de Chemnitz ; Leibnitz IFW en Allemagne ; l’Institut coréen des sciences et de la technologie ; et l’Université Yonsei, à Séoul. Le travail a été soutenu par la National Science Foundation; l’Agence des projets de recherche avancée pour la défense ; le Centre des matériaux spintroniques pour les technologies de l’information avancées ; l’Institut coréen des sciences et de la technologie ; la Fondation scientifique allemande ; le Ministère de l’Économie et de la Compétitivité de l’Espagne ; et le programme de bourses Kavanaugh du Département de science et d’ingénierie des matériaux du MIT.
