Forskere ved University of Tokyo i Japan, Cornell og Johns Hopkins University i USA og University of Birmingham i Storbritannia har observert stor piezomagnetisme i et antiferromagnetisk materiale, mangan-tinn (Mn)3Sn). Funnet kan tillate dette materialet og andre lignende det å bli brukt i neste generasjons datamaskinminner.
Antiferromagnetiske materialer er lovende kandidater for fremtidige minneenheter med høy tetthet av to hovedgrunner. Den første er at elektronspinn (som brukes som biter eller dataenheter) i antiferromagneter snur raskt, ved frekvenser i terahertz-området. Disse raske spinn-flippene er mulige fordi spinn i antiferromagneter har en tendens til å justere antiparallelt med hverandre, noe som fører til sterke interaksjoner mellom spinnene. Dette står i kontrast til konvensjonelle ferromagneter, som har parallelle elektronspinn.
Den andre grunnen er at mens antiferromagneter har en indre magnetisme skapt av spinnene til elektronene deres, har de nesten ingen makroskopisk magnetisering. Dette betyr at biter kan pakkes tettere inn da de ikke forstyrrer hverandre. Igjen, dette står i kontrast til ferromagnetene som brukes i konvensjonelt magnetisk minne, som genererer betydelig nettomagnetisering.
Forskere bruker den velforståtte Hall-effekten (der et påført magnetfelt induserer en spenning i en leder i en retning vinkelrett på både feltet og strømmen) for å lese ut verdiene til antiferromagnetiske biter. Hvis spinnene i den antiferromagnetiske biten alle snur i samme retning, endrer Hall-spenningen fortegn. Det ene tegnet på spenningen tilsvarer derfor en "spinn opp"-retning eller "1" og det andre tegnet til en "spinn ned" eller "0".
Strain kontroller skiltskifte
I det nye arbeidet har et team ledet av Satoru Nakatsuji av University of Tokyo brukt utstyr utviklet av Clifford Hicks og kolleger på Birmingham å plassere en prøve av Mn3Sn under belastning. Mn3Sn er en ufullkommen (Weyl) antiferromagnet med svak magnetisering, og den er kjent for å vise en veldig sterk anomal Hall-effekt (AHE), der ladningsbærere får en hastighetskomponent vinkelrett på et påført elektrisk felt selv uten et påført magnetfelt.
Dopete antiferromagneter bytter raskere
Forskerne fant at ved å legge ulike grader av belastning på prøven, kunne de kontrollere både størrelsen og tegnet på materialets AHE. "Siden oppdagelsen av AHE av Edwin Hall i 1881, har det ikke blitt gjort noen rapport om kontinuerlig justering av AHE-tegnet ved belastning," forteller Nakatsuji Fysikkens verden. "Ved første øyekast kan det se ut til at Hall-konduktiviteten, en mengde som er odde under tidsreversering, ikke kan kontrolleres av belastning, som er jevn under tidsreversering. Imidlertid viser vårt eksperiment og teori tydelig at en veldig liten belastning i størrelsesorden 0.1 % kan kontrollere ikke bare størrelsen, men også tegnet på AHE.
Viktig for antiferromagnetisk spintronikk
Teamet sier at det å kunne kontrollere AHE ved hjelp av belastning vil være viktig for såkalte "spintronics"-applikasjoner som involverer antiferromagnetiske materialer. Siden Weyl semimetallstaten Mn3Sn kan også byttes elektrisk, den nye oppdagelsen gjør materialet enda mer attraktivt for spintronikk, og en rekke grupper rundt om i verden jobber nå med å fremstille det i tynnfilmform.
Det nåværende arbeidet er detaljert i Naturfysikk.
