Ansökan: Ett tvärvetenskapligt program för en grundläggande förståelse av ferromagnetiska halvledarmaterial och andra multi-funktionella material

Tidsperiod:

1 januari 2010 – 31 december 2012

Projektledare:

Olof Karis

Projektdeltagare:

Peter Svedlindh, Biplab Sanyal

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

2 130 000 SEK

Multifunktionella material för morgondagens elektronik.

När elektronerna rör sig runt atomerna i ett material kan elektronens mikroskopiska magnetiska moment, spinnet, växelverka med spinnet hos andra elektroner. På så sätt kan många mikroskopiska spinn skapa en makroskopiskt magnetisering i ett material. Moderna applikationerna av magnetism och magnetiska material kan sägas vara fundamentala för såväl industrialisering (t.ex. generatorer som ger elektricitet) och informationsåldern då datorns långtidsminne består i små magnetiska domäner på datorns hårddisk som läses av känsliga magnetiska sensorer. Just dessa sensorer baseras på att en elektrisk ström kommer att erfara olika stort motstånd (resistans) då den passerar genom magnetiska skikt beroende på den relativa riktningen hos magnetismen i skikten. Upptäckarna av detta fenomen, som benämns gigantisk magnetoresistans (GMR), Albert Fert och Peter Grünberg, belönades med 2007 års Nobelpris i fysik. Mindre än ett decennium efter upptäckten användes sensorer som arbetande efter denna princip som läshuvud i nya hårddiskar. Upptäckten är därför helt avgörande för den helt fantastiska ökningen i lagringskapacitet vi erfarit. Upptäckten har också definierat ett helt nytt forskningsfält syftande till att använda både elektronens laddning och spinn för nya tekniska användningsområden inom t.ex. elektronik. Detta forskningsområde benämns spinntronik (efter spinn-elektronik) och attraherar stort intresse från såväl industri som akademi. De viktigaste materialen i moderna datorer är halvledare, vilka leder elektrisk ström sämre än vad metaller gör. Det viktigaste egenskapen hos halvledande material är att man kan kontrollera och påverka strömmen genom dem. Detta faktum är grunden för en av de viktigaste landvinningarna i modern tid - transistorn. Transistorns förmåga att kunna slå på och av är grunden för t.ex. datorapplikationer, där logiska operationer skapas genom sammankoppling av många små transistorer. För att kunna upprätthålla utvecklingen av dagens teknologi behövs nya idéer för att kringgå de problem som ständig miniatyrisering och krav på allt snabbare beräkningstakt i processorerna medför. Idag diskuteras möjligheten att kombinera laddning och spinn som informationsbärare i en och samma del av en krets. Minnen, s.k. MRAM, som fungerar på enligt en sådan princip finns att köpa, men kapaciteten är fortfarande begränsad i relation till vad som erbjuds hos hårddiskar och moderna s.k. flash-minnen. Det finns dock anledning att tro att om man kunde kombinera flera fysikaliska egenskaper (t.ex. halvledande, magnetiska och andra egenskaper såsom ferroelektricitet och piezoelektricitet) i ett multifunktionellt material, så öppnas nya möjligheter för att realisera kretselektronik med nya arbetsprinciper. För att kunna uppnå detta krävs nya material som förenar flera viktiga fysikaliska egenskaper, dvs uppvisar multifunktionalitet. Detta är en svår uppgift då många faktorer avgör huruvida ett material är användbart i en verklig tillämpning eller ej. Speciellt tycks det naturligt vara så att flera viktiga egenskaper är mycket svåra att förena med magnetisk ordning. Några avgörande faktorer är: (i) strukturell anpassning till de material som används i produktion av integrerade kretsar, (ii) bibehållna egenskaper vid temperaturer högre än rumstemperatur samt (iii) lämpliga elektroniska egenskaper. Ett exempel skulle kunna vara att vi kunde ersätta datorernas kortidsminne (RAM minne) och långtidsminne (magnetiska diskar) med ett enda minne som förenar egenskaperna hos dem. Genom att utnyttja att olika egenskaper kan sammankopplas och därmed utnyttjas för att styra varandra kan man tänka sig att innehållet i en minnescell kontrolleras av en elektrisk spänning trots att informationen lagras magnetiskt. Detta projekt ämnar till att ta fram sådana nya multfunktionella material, t.ex. halvledande ferromagneter, med målet att skapa material för morgondagens elektronik. Projektet utgör ett