Быстрый рост энергопотребления, связанный с цифровыми технологиями, является серьезной глобальной проблемой. Одной из ключевых проблем является снижение энергопотребления магнитных устройств хранения данных, которые используются, например, в крупных центрах обработки данных.

Международная исследовательская группа под руководством Массачусетского технологического института (MIT) при участии профессора Карин Лейстнер и доктора Йонаса Зенера из профессора электрохимических датчиков и накопления энергии в Институте химии Технологического университета Хемница ( ранее возглавлявший исследовательскую группу "Магнитоионика и наноэлектроосаждение" в Институте исследования твердого тела и материалов им. Лейбница (IFW) в Дрездене, теперь демонстрирует перемагничивание на 180 ° при загрузке водорода в ферримагнетики под действием напряжения

.

Этот результат имеет исключительную актуальность, так как перемагничивание на 180 ° чисто электрическими полями по своей природе сложно из фундаментальных принципов, но обещает резкое снижение энергопотребления для переключения намагничивания. Для приложений хранения и обработки данных переключение намагничивания на 180 ° имеет решающее значение, поскольку намагничивание в отдельных битах обычно имеет противоположное значение на 180 °. Таким образом, результат исследования может открыть путь к значительному снижению глобального энергопотребления для хранения данных.

Помимо участников из Массачусетского технологического института и Технологического университета Хемница, в исследовательскую группу входили ученые из Университета Миннесоты, Корейского института науки и технологий и синхротрона ALBA в Барселоне. На первое место возглавили учёные-материаловеды доктор Мантао Хуанг и профессор Джеффри Бич из Массачусетского технологического института, эксперты по водородным магнито-ионным устройствам и спинтронике.

Результаты были опубликованы в известном журнале Nature Nanotechnology.

Новый подход

На магнитных носителях данных, таких как жесткие диски или MRAM (магнитные запоминающие устройства с произвольным доступом), информация сохраняется посредством определенного выравнивания намагниченности в микроскопических областях. Направление намагничивания обычно регулируется электрическими токами или местными магнитными полями – эти магнитные поля также генерируются электрическими токами в микрокатушках. В обоих случаях электрический ток приводит к потере энергии из-за джоулева нагрева. Следовательно, управление намагничиванием электрическими полями является многообещающим подходом к снижению энергопотребления технологий магнитных данных. Однако до сих пор управление намагниченностью электрическим полем требует высоких напряжений или ограничивается низкими температурами.

В качестве нового подхода к переключению намагниченности, индуцированному напряжением, исследовательская группа использовала особые свойства ферримагнетиков. Ферримагнетики имеют конфигурацию из нескольких подрешеток с намагниченностями подрешеток разной величины, противоположными друг другу. Суммарная намагниченность возникает за счет добавления вкладов подрешетки. Ферримагнетики также имеют технологические преимущества перед традиционно используемыми ферромагнетиками, поскольку они позволяют, например, обеспечивать быструю спиновую динамику.

Для ферримагнитного гадолиния-кобальта (GdCo) исследователи смогли продемонстрировать, что относительные намагниченности подрешетки могут быть обратимо переключены посредством индуцированной напряжением загрузки / разгрузки водорода. Для этого GdCo был объединен со слоем оксида гадолиния (GdOx) в качестве твердотельного электролита и промежуточным слоем палладия (Pd). При приложении напряжения затвора к структуре протоны перемещаются к нижнему электроду и приводят к гидрированию слоя Pd / GdCo. Введение водорода в решетку GdCo приводит к более сильному снижению намагниченности подрешетки Gd, чем у Со. Этот так называемый магнитоионный эффект стабилен в течение более чем 10 000 циклов. Это может быть подтверждено спектроскопией рентгеновского магнитного кругового дихроизма (XMCD) для конкретных элементов и является основой продемонстрированного переключения намагниченности.

Чтобы добиться перемагничивания на 180 ° без внешних магнитных полей, исследователи функционализировали структуру слоя GdCo / Pd / GdOx с дополнительным слоем антиферромагнитного оксида никеля (NiO). Здесь они извлекают выгоду из так называемого эффекта «биржевого смещения» . Этот эффект возникает, когда ферри- или ферромагнитные слои контактируют с антиферромагнитным слоем. Он основан на взаимодействии межфазных магнитных спинов и приводит к закреплению направления намагниченности ферро / ферримагнетика. Эффект обменного смещения используется, например, в магнитных датчиках в считывающих головках жестких дисков для фиксации направления намагничивания опорного слоя. Для ферромагнетика GdCo контакт с антиферромагнетиком NiO приводит к закреплению направления намагниченностей подрешетки. В этом случае во время магнито-ионного переключения суммарная намагниченность переключается на 180 °. Это впервые означает перемагничивание, управляемое исключительно электрическим полем, без помощи магнитного поля.

Проф. Карин Лайстнер и доктор Йонас Зенер использовали свой опыт в передаче магнито-ионного управления в системы обменного смещения. « Моя группа интенсивно изучает комбинацию магнито-ионных систем с аниферромагнитными слоями, и теперь мы являемся экспертами в области магнито-ионного контроля обменного смещения», объясняет профессор Карин Лайстнер. Во время учебы в докторантуре в исследовательской группе Карин Лайстнер в IFW в Дрездене Йонас Зенер воспользовался возможностью 6-месячной исследовательской стажировки в группе профессора Бич в Массачусетском технологическом институте. Во время этого исследовательского пребывания вместе с профессором Карин Лейстнер и профессором Джеффри Бич Йонас Зенер инициировал и оптимизировал структуру слоя обменного смещения, необходимую для перемагничивания на 180 °. Для этого он впервые объединил магнито-ионную модельную систему Co / GdOx с антиферромагнетиком NiO. Он подготовил тонкопленочные системы с помощью магнетронного распыления и проанализировал влияние толщины, состава и последовательности слоев на результирующее обменное смещение и магнитоионный контроль. Магнитные свойства при загрузке водородом измерялись с помощью самодельной магнитооптической установки на эффекте Керра. С помощью этих экспериментов он обнаружил, что ультратонкий слой Pd между GdCo и NiO имеет решающее значение для стабилизации эффекта обменного смещения.

Исследования в Массачусетском технологическом институте финансировались Немецким научным фондом (DFG) в рамках проекта « Регулируемый напряжением магнитный гистерезис и доменные структуры с помощью электрохимических реакций» под руководством профессора Карин Лайстнер. Профессор Карин Лайстнер, доктор Йонас Зенер и другие члены профессуры электрохимических датчиков и накопителей энергии продолжат работу над этим проектом и сотрудничество с Массачусетским технологическим институтом в Техническом университете Хемница.
Об исследователях:

Проф. Доктор Карин Лайстнер

Проф. Доктор Карин Лайстнер была назначена профессором факультета естественных наук Технологического университета Хемница 15 мая 2021 года. Там она возглавляет кафедру электрохимических датчиков и накопителей энергии. Ранее она была руководителем исследовательской группы по магнитоионным материалам и наноэлектроосаждению в IFW в Дрездене. В центре ее исследований находится развивающаяся область магнитоионики, в которой она нацелена на электрохимические пути для перестраиваемых функциональных материалов в качестве оригинального подхода к энергоэффективным электронным и чувствительным устройствам.

Д-р. Йонас Зенер

Д-р. Йонас Зенер – научный сотрудник кафедры электрохимических датчиков и накопителей энергии на факультете естественных наук Технологического университета Хемница с 01.06.2021. Ранее он подготовил диссертацию по электрохимическому контролю пленок с однонаправленной анизотропией на IFW Dresden в исследовательской группе Карин Лайстнер. В 2019 году в рамках своей докторской степени он провел 6 месяцев исследовательской стажировки в Массачусетском технологическом институте.

Источник: https://www.tu-chemnitz.de/index.html.en[19459007provided