机制“分裂”磁性材料中的电子自旋

康奈尔大学的研究人员将合适的材料保持在合适的角度，他们发现了一种策略，可以在铁磁体的薄层中切换磁化强度——这项技术最终可能导致更节能的磁存储设备的发展。

几十年来，物理学家一直试图通过操纵磁场来改变磁性材料中电子自旋的方向。但是，包括艺术与科学学院的F.R.纽曼物理学教授、论文的高级作者丹·拉尔夫(Dan Ralph)在内的研究人员，转而寻求利用电子携带的自旋电流，当电子的自旋通常朝着一个方向时，就会存在自旋电流。

当这些自旋电流与薄磁层相互作用时，它们会传递角动量，并产生足够的扭矩来将磁化强度切换180度。(改变磁方向的过程就是在磁存储设备中写入信息的过程。)

拉尔夫的团队一直致力于通过反铁磁材料产生自旋电流来控制自旋电流的方向。在反铁磁体中，每一个其他电子自旋指向相反的方向，因此没有净磁化。

“从本质上讲，反铁磁顺序可以降低样品的对称性，足以允许自旋电流的非常规取向存在，”拉尔夫说。“反铁磁体的机制似乎也提供了一种获得相当强的自旋电流的方法。”

该研究小组一直在用反铁磁体二氧化钌做实验，并测量其自旋电流在一层薄层镍铁磁性合金(一种软铁磁体)中倾斜磁化的方式。为了绘制出扭矩的不同组成部分，他们测量了在不同磁场角度下扭矩的影响。

“一开始我们不知道我们看到的是什么。它和我们以前看到的完全不同，我们花了很多时间才弄清楚它是什么。”“此外，这些材料很难集成到存储设备中，我们希望找到其他表现出类似行为的材料，并且可以轻松集成。”

研究人员最终确定了一种名为“动量依赖自旋分裂”的机制，这是氧化钌和同类其他反铁磁体所特有的。

“很长一段时间以来，人们认为在反铁磁体中，自旋向上和自旋向下的电子总是表现相同。这类材料真的是一种新东西，”拉尔夫说。“自旋向上和自旋向下的电子状态本质上有不同的依赖性。一旦你开始施加电场，就会立即产生强烈的自旋电流，因为自旋向上和自旋向下的电子反应不同。所以你可以让其中一个比另一个加速，从而获得强大的自旋电流。”

这种机制曾被假设过，但从未被记录下来。当反铁磁体中的晶体结构在器件内适当定向时，该机制允许自旋电流倾斜到一个角度，可以实现比其他自旋轨道相互作用更有效的磁开关。

现在，拉尔夫的团队希望找到一种方法来制造反铁磁体，在这种方法中，他们可以控制畴结构——即电子磁矩在同一方向上排列的区域——并单独研究每个畴，这是具有挑战性的，因为畴通常是混合的。

最终，研究人员的方法可能会导致磁性随机存取存储器技术的进步。

拉尔夫说:“我们希望制造出非常高效、非常密集且非易失性的磁性存储设备，这将改进现有的硅存储设备。”“这将使计算机内存的工作方式发生真正的改变，因为你将拥有本质上具有无限耐力、非常密集、非常快的东西，即使关闭电源，信息也不会消失。现在没有记忆能做到这一点。”

-由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

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