Tenant le bon matériau au bon angle, les chercheurs de Cornell ont découvert une stratégie pour changer l'aimantation dans des couches minces d'un ferromagnétique, une technique qui pourrait éventuellement conduire au développement de dispositifs de mémoire magnétique plus économes en énergie.

L'article de l'équipe, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide", a été publié le 5 mai dans Nature Electronics . Les co-auteurs principaux de l'article sont le chercheur postdoctoral Arnab Bose et les doctorants Nathaniel Schreiber et Rakshit Jain.

Pendant des décennies, les physiciens ont tenté de modifier l'orientation des spins des électrons dans les matériaux magnétiques en les manipulant avec des champs magnétiques. Mais des chercheurs dont Dan Ralph, le F.R. Newman, professeur de physique au Collège des arts et des sciences et auteur principal de l'article, ont plutôt cherché à utiliser les courants de spin portés par les électrons, qui existent lorsque les électrons ont des spins généralement orientés dans une direction.

Lorsque ces courants de spin interagissent avec une fine couche magnétique, ils transfèrent leur moment cinétique et génèrent suffisamment de couple pour commuter l'aimantation à 180 degrés. (Le processus de commutation de cette orientation magnétique est la façon dont on écrit des informations dans des dispositifs à mémoire magnétique.)

Le groupe de Ralph s'est concentré sur la recherche de moyens de contrôler la direction du spin dans les courants de spin en les générant avec des matériaux antiferromagnétiques. Dans les antiferromagnétiques, un spin d'électron sur deux pointe dans la direction opposée, il n'y a donc pas d'aimantation nette.

"Essentiellement, l'ordre antiferromagnétique peut abaisser suffisamment les symétries des échantillons pour permettre l'existence d'orientations non conventionnelles du courant de spin", a déclaré Ralph. "Le mécanisme des antiferromagnétiques semble également permettre d'obtenir des courants de spin assez forts."

L'équipe avait expérimenté le dioxyde de ruthénium antiferromagnétique et mesuré la manière dont ses courants de spin inclinaient l'aimantation dans une fine couche d'un alliage magnétique nickel-fer appelé Permalloy, qui est un ferromagnétique doux. Afin de cartographier les différentes composantes du couple, ils ont mesuré ses effets à divers angles de champ magnétique.

"Nous ne savions pas ce que nous voyions au début. C'était complètement différent de ce que nous avions vu auparavant, et il nous a fallu beaucoup de temps pour comprendre ce que c'était", a déclaré Jain. "En outre, ces matériaux sont difficiles à intégrer dans les dispositifs de mémoire, et notre espoir est de trouver d'autres matériaux qui montreront un comportement similaire et qui pourront être intégrés facilement."

Les chercheurs ont finalement identifié un mécanisme appelé « fractionnement de spin dépendant de la quantité de mouvement » qui est unique à l'oxyde de ruthénium et à d'autres antiferromagnétiques de la même classe.

"Pendant longtemps, les gens ont supposé que dans les antiferromagnétiques, les électrons de spin up et spin down se comportent toujours de la même manière. Cette classe de matériaux est vraiment quelque chose de nouveau", a déclaré Ralph. "Les états électroniques de spin up et spin down ont essentiellement des dépendances différentes. Une fois que vous commencez à appliquer des champs électriques, cela vous donne immédiatement un moyen de créer de forts courants de spin car les électrons spin up et spin down réagissent différemment. Vous pouvez donc accélérer l'un d'entre eux. plus que l'autre et obtenir un fort courant de spin de cette façon."

Ce mécanisme avait été hypothétique mais jamais documenté auparavant. Lorsque la structure cristalline de l'antferromagnétique est orientée de manière appropriée dans les dispositifs, le mécanisme permet au courant de spin d'être incliné à un angle qui peut permettre une commutation magnétique plus efficace que d'autres interactions spin-orbite.

Maintenant, l'équipe de Ralph espère trouver des moyens de fabriquer des antiferromagnétiques dans lesquels ils peuvent contrôler la structure du domaine - c'est-à-dire les régions où les moments magnétiques des électrons s'alignent dans la même direction - et étudier chaque domaine individuellement, ce qui est difficile car les domaines sont normalement mélangé.

À terme, l'approche des chercheurs pourrait mener à des avancées dans les technologies qui intègrent une mémoire magnétique à accès aléatoire.

"L'espoir serait de fabriquer des dispositifs de mémoire magnétique très efficaces, très denses et non volatiles qui amélioreraient les dispositifs de mémoire au silicium existants", a déclaré Ralph. "Cela permettrait un réel changement dans la façon dont la mémoire est faite dans les ordinateurs parce que vous auriez quelque chose avec une endurance essentiellement infinie, très dense, très rapide, et les informations restent même si l'alimentation est coupée. Il n'y a pas de mémoire qui fait que ces jours-ci." + Explorer plus loin

Moyens très efficaces pour inverser la magnétisation avec des courants de spin