Crédit :Gupta et al.
Des chercheurs de l'Université de Twente et de l'Université normale de Pékin ont récemment mené une étude sur le paramètre connu sous le nom de perte de mémoire de spin (SML) pour une variété d'interfaces différentes, en utilisant une combinaison de méthodes théoriques et informatiques. Leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , offre de nouvelles informations précieuses qui pourraient éclairer la conception d'interfaces plus efficaces.
"Le Saint Graal dans notre domaine d'étude est un nouveau concept de stockage de mémoire magnétique qui serait 100% électronique, c'est-à-dire potentiellement plus rapide, plus denses et plus fiables que les disques durs (HDD) actuels qui forment l'épine dorsale d'Internet (par exemple, fermes de données) et qui sont basés sur un disque magnétique à rotation mécanique où les données sont accessibles par une tête de lecture/écriture flottant à seulement quelques nanomètres au-dessus du disque dur à rotation rapide, " Paul Kelly, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Le nouveau concept est basé sur ce qu'on appelle l'effet Hall de spin (SHE), ce qui a été théoriquement prédit il y a 50 ans, mais observé pour la première fois dans les semi-conducteurs en 2004 et deux ans plus tard dans les métaux."
En plus d'être payant, les électrons ont un spin, ce qui signifie qu'ils peuvent agir comme des « toupies ». Un moment magnétique est associé à ce spin. Le SHE est une conséquence directe de l'effet relativiste appelé couplage spin-orbite (SOC), qui « couple » la façon dont les électrons tournent (dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse) avec la façon dont ils se déplacent autour des atomes.
À la suite de cet effet, lorsqu'un courant de charge traverse une plaque d'un métal lourd comme le platine, il excite un courant de spin perpendiculaire au courant de charge. Si le platine est en contact avec un matériau magnétique comme le fer, nickel ou permalloy, un alliage FeNi, le «courant de spin» est entraîné dans ce matériau magnétique voisin.
Figure expliquant l'effet Spin Hall. Crédit :Gupta et al.
« Dans les bonnes circonstances, ce courant de spin peut réorienter la direction dans laquelle pointe le moment magnétique :up est '1', vers le bas est « 0 » ; et nous avons la base d'un nouveau type de mémoire magnétique, " expliqua Kelly. " C'est ici que nous intervenons. "
Comme Kelly poursuit en expliquant, le courant de spin se dégrade généralement lorsqu'il passe du fil de Pt dans le matériau magnétique, qui se produit souvent aux interfaces entre deux matériaux différents. Cette dégradation du courant, connu sous le nom de « perte de mémoire de rotation » (SML), a fait l'objet de nombreuses études, dont celle réalisée par l'équipe de Kelly, et pourtant, à l'heure actuelle, on sait très peu de choses à son sujet.
"Ce que l'on sait jusqu'à présent sur SML a été glané à partir d'expériences à basse température, alors que 99% de l'intérêt porte sur ce qui se passe à température ambiante, la température importante pour de nombreuses applications, ", a déclaré Kelly. "Notre recherche a été conçue pour pouvoir étudier des propriétés comme celle-ci."
L'objectif principal de l'étude menée par Kelly et ses collègues était d'étudier le SML et son comportement à différentes interfaces et à des températures finies (où les vibrations atomiques induites par la température et les fluctuations des moments magnétiques sont inévitables). Les chercheurs se sont concentrés sur quatre combinaisons de matériaux qui sont généralement utilisés pour essayer de développer une mémoire de stockage magnétique entièrement électronique.
Un courant de spin totalement polarisé est injecté dans une bicouche Au/Pt avec une interface pointue (ligne noire verticale), deux couches d'interface Au50Pt50 (zone ombrée en jaune), et quatre couches d'interface Au50Pt50 (région ombrée en vert) entre elles. Les courants de spin calculés pour les trois cas sont représentés par des cercles gris, diamants jaunes, et carrés verts, respectivement. La ligne bleue continue indique un ajustement à l'équation VF en Au. Le solide, en pointillé, et les lignes rouges pointillées indiquent des ajustements à l'équation VF en Pt pour Au / Pt, Au/Au50Pt50(2)Pt, et Au/Au50Pt50(4)jPt, respectivement. (Encart) δ vs ARI pour N 0, 2, et 4 couches d'interface d'Au50Pt50 mixte. Crédit :Gupta et al.
Au cours des 20 dernières années, Kelly et ses collègues ont développé des codes informatiques qui peuvent être utilisés pour étudier le transport des électrons et des spins (c. transport de spin) dans des matériaux complexes. Ces codes sont basés sur la résolution de « l'équation de Schrödinger » de la mécanique quantique sous une forme appelée « théorie de la diffusion », ce qui signifie que le comportement des électrons est en termes d'ondes de matière.
"Deux étapes importantes dans le développement de ces codes ont été l'inclusion d'effets relativistes, à savoir le SOC et la température sous forme de désordre de réseau et de spin induit par la température, " a déclaré Kelly. " Lorsque la température d'un matériau augmente, les atomes qui composent la matière vibrent de plus en plus; c'est ce qu'on appelle le trouble du réseau. Si le matériau est ferromagnétique, alors les moments magnétiques sur les atomes tournent loin de leur original, orientation uniforme."
En tant qu'étape finale dans le développement de code pour étudier le transport de spin à travers des interfaces, Kelly et ses collègues ont utilisé les résultats de leurs calculs de « diffusion » en mécanique quantique pour calculer les courants de charge et de spin observés par les expérimentateurs. Ce procédé leur a finalement permis d'étudier le SHE aux interfaces, ainsi que la dégradation des courants de spin lorsqu'ils passent d'un matériau à un autre (c'est-à-dire, SML).
« La principale différence entre notre étude et celles menées par d'autres équipes de recherche est que nous avons depuis longtemps identifié les interfaces comme une cible clé et avons concentré notre développement de code sur la possibilité d'étudier des interfaces entre des matériaux de tailles très différentes (c'est-à-dire, constantes de réseau). " Kelly a déclaré. « Cela impliquait de faire un usage intensif des « méthodes matricielles éparses » pour pouvoir gérer les énormes tableaux numériques qui résultent de la description réaliste des interfaces."
Cercles vides :courant de spin jS(z) à travers une tricouche Pt Py Pt calculée pour T 300 K. La courbe bleue solide (orange) correspond aux équations VF en vrac Pt (Py). Ces ajustements sont extrapolés à l'interface zI pour obtenir les valeurs js, Pt (ZI) et Js, Py (ZI) illustré en détail dans l'encart de droite. (Encart à gauche) Le courant de spin avec (rouge) et sans (bleu) moments induits par la proximité dans Pt. Crédit :Gupta et al.
Kelly et ses collègues ont été les premiers à étudier le transport de spin en fonction de la température à travers des interfaces réalistes. En plus d'introduire des valeurs numériques pour les paramètres décrivant ce transport, ils ont recueilli des informations précieuses sur la façon dont ces paramètres varient selon les différentes interfaces, ainsi que leur dépendance vis-à-vis des types de troubles dont ils sont affectés.
En particulier, les chercheurs ont observé que les interfaces non magnétiques ont une dépendance minimale à la température, tandis que les interfaces contenant des ferroaimants dépendent fortement de la température. Ils ont également constaté que le SML était plus important pour certaines interfaces, surtout lorsque le passage entre les différents matériaux est plus abrupt (ex. interfaces Co/Pt).
Finalement, Kelly et ses collègues ont découvert que le SML peut être considérablement amélioré par le décalage de réseau et l'alliage d'interface. À l'avenir, les observations et les idées qu'ils ont recueillies guideront la conception d'interfaces plus efficaces avec diverses applications possibles.
« Comme prochaine étape, nous voulons étudier directement le processus par lequel un courant de spin généré par le SHE dans un métal lourd est injecté dans divers autres matériaux, non magnétique et magnétique, pour établir un contact plus étroit avec la mémoire magnétique et les nanodispositifs associés, ", a déclaré Kelly. "Nous étudierons également les propriétés des nouveaux matériaux ferromagnétiques bidimensionnels de van der Waals, qui peuvent avoir des propriétés de transport de charge et de spin distinctes et dont les « interfaces » sont censées jouer un rôle clé dans la détermination de leurs propriétés magnétiques. »
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