Naukowcy z Instytutu opracowali nową technikę eksperymentalną do pomiaru efektów cieplnych w urządzeniach spintronicznych, co pogłębia naszą wiedzę na temat wpływu ciepła na zachowanie magnetyczne.
Odkrycie to może utorować drogę do wyboru materiałów, które zachowują wysoką funkcjonalność przy minimalnym nagrzewaniu, optymalizując w ten sposób spintronikę pod kątem efektywności energetycznej i szybkości.
Spintronika – urządzenia wykorzystujące mikroskopijny magnetyzm w połączeniu z prądem elektrycznym – może doprowadzić do powstania technologii obliczeniowej równie szybkiej jak konwencjonalna elektronika, ale znacznie bardziej energooszczędnej. W miarę opracowywania i badań takich urządzeń ważną, nierozwiązaną kwestią jest wpływ ogrzewania na działanie urządzenia.
Innowacyjne techniki pomiarowe w spintronice
Nowa technika eksperymentalna, opisana przez naukowców z Uniwersytetu Illinois Urbana-Champaign w czasopiśmie APL Materials, bezpośrednio mierzy nagrzewanie się w urządzeniach spintronicznych, umożliwiając bezpośrednie porównanie z innymi efektami. Naukowcy twierdzą, że technikę tę można zastosować do wyboru materiałów spintronicznych, na których zachowanie magnetyczne wpływa w minimalnym stopniu ogrzewanie, co prowadzi do szybszych urządzeń.
„Urządzenia spintroniczne zależą od zdolności zmiany namagnesowania za pomocą prądów elektrycznych, ale istnieją dwa możliwe wyjaśnienia tej sytuacji: interakcje elektromagnetyczne z prądem lub wzrost temperatury powodowany przez prąd” – powiedział Axel Hoffmann, kierownik projektu i dział materiałoznawstwa stanu Illinois i profesor inżynierii. „Jeśli chcesz zoptymalizować działanie urządzenia, musisz zrozumieć podstawową fizykę. Właśnie w tym pomogło nam nasze podejście.”
Obietnica spintroniki zamiast tradycyjnej elektroniki
W przeciwieństwie do elektroniki, która wykorzystuje sygnały elektryczne do przechowywania informacji i wykonywania obliczeń, spintronika wykorzystuje podstawową właściwość elektronów zwaną spinem, która skutkuje mikroskopijnym zachowaniem magnetycznym. Urządzenia te mogą zużywać znacznie mniej energii niż ich elektroniczne odpowiedniki ze względu na magnetyczny charakter ich działania. Sugerowano nawet, że spintronika kontrolowana przez szybką elektronikę pozostanie energooszczędna, dorównując szybkością konwencjonalnym komputerom. „To jak czerpanie z obu światów tego, co najlepsze” – twierdzi Hoffmann.
Wyzwaniem było znalezienie materiałów odpowiednich do takich urządzeń. Antyferromagnesy przyciągają uwagę ze względu na okresowe układy przeciwnych spinów i ograniczoną wrażliwość na sąsiednie urządzenia. Aby wykorzystać te materiały do pamięci i obliczeń, struktura spinu musi być kontrolowana za pomocą prądu elektrycznego. Wymagane do tego prądy są tak duże, że temperatura urządzeń wzrasta do punktu, w którym oprócz efektów elektromagnetycznych efekty termiczne wpływają na strukturę spinu.
Różnicowanie wpływu prądu i temperatury
„Toczy się debata, czy prąd jest bezpośrednio odpowiedzialny za zmiany wirowania, czy też dominujący wpływ ma powstające w ten sposób nagrzewanie” – powiedział Hoffmann. „Jeśli jest to efekt sterowany prądem, bardzo łatwo jest uzyskać efekt bardzo szybko. Jeśli jest to efekt termiczny, przewodność cieplna i relaksacja termiczna są ważne i mogą ograniczać szybkość obsługi urządzenia. Zatem dokładna funkcjonalność urządzenia zależy od tego, za co odpowiada fizyka.
Wcześniejsze wysiłki mające na celu wyjaśnienie znaczenia efektów zależnych od prądu i temperatury zostały udaremnione przez brak możliwości bezpośredniego pomiaru efektów ogrzewania w urządzeniach o małej skali. Myoung-Woo Yoo, badacz ze stopniem doktora w grupie Hoffmanna, zademonstrował metodę eksperymentalną, w której efekty termiczne są wywnioskowane ze sposobu, w jaki urządzenie podgrzewa podłoża o różnej przewodności cieplnej.
„Przygotowaliśmy próbki antyferromagnetyczne na podłożach z dwutlenku krzemu o różnej grubości” – powiedział Yoo. „Zdolność podłoża do przewodzenia ciepła spada wraz ze wzrostem grubości, co oznacza, że antyferromagnesy na grubszych próbkach mają wyższe temperatury, gdy przyłożony jest ten sam prąd elektryczny. Jeśli ogrzewanie urządzenia jest ważne dla zmian struktury wirowania, wówczas wystąpią różnice między urządzeniami na różnych podłożach”.
Wnioski i przyszłe zastosowania
Naukowcy odkryli, że ogrzewanie miało znaczący wpływ na badany antyferromagnetyk, Mn3sen. Zauważyli jednak, że w spintronice rozważa się wiele innych antyferromagnetyków, a technika ta zapewnia ramy do systematycznego porównywania roli ogrzewania z wpływem prądu elektrycznego.
„Mamy teraz dobrze opracowaną strategię oceny wpływu ogrzewania elektrycznego na urządzenia spintroniczne” – powiedział Yoo. „Ponadto jest to bardzo łatwe do wykonania w bardzo ogólnym ujęciu, więc można je zastosować w dowolnym systemie, w tym w standardowej elektronice. Metodologię tę można zastosować do optymalizacji funkcjonalności dowolnego rodzaju urządzenia mikroskopowego.”
Odniesienie: „Thermal wkład w prądowe przełączanie porządku antyferromagnetycznego, wybór redaktora” Myoung-Woo Yoo, Virginia O. Lorenz, Axel Hoffmann i David G. Cahill, 14 sierpnia 2024 r., Materiały APL.
DOI: 10.1063/5.0219729
Profesor nauk o materiałach i inżynierii materiałowej ze stanu Illinois David Cahill oraz profesor fizyki Virginia Lorenz również wnieśli swój wkład w tę pracę.
Wszyscy współautorzy są związani z Laboratorium Badań Materiałowych w Illinois.
Prace te były wspierane przez National Science Foundation za pośrednictwem Centrum Nauki i Inżynierii Materiałów stanu Illinois.
