Ansökan: Magnetiska droppsolitoner: Röntgenavbildning av dynamik i spinn-oscillatorer baserade på magnetoresistans i strukturer av GMR- och TMR-typ.

Tidsperiod:

1 juli 2014 – 30 juni 2017

Projektledare:

Sohrab Sani

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

3 150 000 SEK

Det nya forskningsfältet Spinntronik har haft stor inverkan på informationsteknologi det senaste decenniet. Till skillnad från konventionell elektronik så utnyttjas även elektroners magnetiska moment, så kallat spinn, och inte bara dess laddning. Utnyttjandet av elektronens spinn öppnar upp en rik flora av nya fysikaliska processer och nya möjliga tekniska innovationer. Hittills har den mest använda spinntroniska tillämpningen varit jättemagnetoresistansen (giant magneto resistance GMR). En upptäckt som belönades med Nobelpriset 2007. GMR innebär att resistansen hos ett magnetiskt multilager förändras då den relativa orienteringen av magnetiseringen i lagren förändras. Vanligtvis måste ett externt magnetfält användas för att förändra magnetfälten i lagens orientering. Ett mer attraktivt och kompakt alternativ är att använda strömmen som flyter genom multilagret för att kontrollera magnetiseringen. Till skillnad från magnetiska fält så kan strömmen enkelt manipuleras för lokal och direkt kontroll. Strömkontroll av magnetiseringen blir möjlig pga spinnvridmoment (spin transfer torque, STT).

STT beskrivs enklast genom att tänka sig en ström som passerar genom en metallisk trelagerstruktur. Det första lagret har en magnetisering som är fast i en specifik riktning. När elektroner passerar genom lagret så linjerar spinnet med magnetiseringen i materialet, strömmen polariseras. Ett andra magnetiskt lager, som är separerat från det första av ett tunt ickemagnetiskt lager, har en magnetisering som enkelt kan ändra sin riktning. När de polariserade elektronerna kommer in i det andra fria lagret utövar de ett vridmoment på magnetiseringen i lagret, när de då linjeras med magnetiseringen i en annan riktning än den i det första lagret. Med en tillräckligt stor strömtäthet så kommer det fria lagrets magnetisering att påverkas så mycket att det börjar röra sig. Väldigt stora strömtätheter krävs för att observera den här effekten, och därför krävs det väldigt små ledare för att realisera den. Under rätt förhållanden kan även kontinuerlig stabil rotation, eller oscillation, hos det fria lagret åstadkommas. En komponent som utför en sån oscillation kallas en spinntronisk tunnlingsoscillator (STO).

I det föreslagna forskningsprogrammet så kommer en ny typ av STO behandlas och två specifika mål uppfyllas. Den nya spinntroniska oscillatorn utnyttjar ett nyligen bevisat exotiskt tillstånd för ett magnetiskt material en sk droplet. Denna droplet oscillerar på ett vis som i teorin kommer göra att spinntroniska oscillatorer kan gå från idag väldigt låg uteffekt till hög uteffekt då vinkeln hos oscillationen är väldigt hög. Detta gör att GMR signalen blir mycket högre än den blir för en traditionell STO.

Det första målet är att med hjälp av extremt koherent röntgenstrålning titta på hur magnetiseringen i en droplet STO beter sig. Man kommer med hjälp av extremt korta pulser av röntgenstrålning som samtidigt är polariserade kunna titta på exakt hur magnetiseringen ändras och hur olika specifika tillstånd hos en droplet STO uppstår. Genom att också kunna se hur olika tillstånd i STON uppstår och ser ut öppnar man vägar framåt för mer exakt kontroll för hur man på mest effektivt sätt kan använda droplet STOn för att maximera tex uteffekten.

Det andra målet knyter också an till att öka uteffekten hos STOer. I och med att uteffekten hos oscillatorerna hittills har varit liten, så har kommersiella tillämpningar för tekniken inte kunnat utvecklas. Problemet med uteffekt är av dubbel natur och är relaterat till typen av material som används i oscillatorn.

I en traditionell spinntronisk oscillator så används ett multilager helt i metall och GMR utnyttjas för att få en signal från STOn. Genom att i det här forskningsprojektet istället använda sk tunnlingsmagnetoresistans (TMR) så kommer uteffekten ökas dramatiskt. I projektet kommer ockå ett av lagren ha sin magnetisering vinkelrätt mot planet. Detta är den avgörande skillanden som gör att man i