Elektriskt fält fördubblar hastigheten för ultrasnabba magnetiska processer

Dagens elektronik fungerar genom att styra flödet av elektrisk ström, det vill säga elektronernas rörelse. Elektroner har förutom sin negativa laddning, även en magnetisk egenskap som kallas spinn, som gör ett material magnetiskt. Kombinationen av elektronik och magnetism har gett upphov till området spinntronik, som utnyttjar elektronernas spinn. Till exempel har det ökat datalagringskapacitet i hårddiskar avsevärt. Hårddiskar har blivit mycket mindre och effektivare, från att ha varit stora som kylskåp med några få megabytes lagringskapacitet till hårddiskar i storleksordningen av en enkrona med möjlighet att lagra flera terabyte.

Att öka datalagringshastigheten är viktigt för att minska energiförbrukningen i datalagringsenheter, såsom Google Drive eller BOX, och infrastruktur för artificiell intelligens, såsom ChatGPT. Det kräver att magneter switchar snabbare och utmaningen är att uppnå detta utan att ändra det magnetiska materialet eller formen i enheterna.

För första gången har forskarna genom experiment och teoretiska beräkningar utvecklat en ny komponent som kallas spinnfältseffekttransistor, SFEJ (spin field effect junction), som kan fördubbla hastigheten för avmagnetisering av en magnetisk tunnfilm med hjälp av ett elektriskt fält^[1].

När en femtosekundlaserpuls, som varar en miljondels miljarddels sekund, träffar ett ferromagnetiskt koboltlager, förlorar koboltmagneten snabbt sin magnetisering i en process som kallas ultrasnabb avmagnetisering. I SFEJ placeras grafen, ett atomärt tunt material bestående av kolatomer, under ett ultratunt lager av kobolt (som visas i den övre figuren). Grafen är känt för sina exceptionella laddnings- och spinn-transportegenskaper^[2] med hög spinndiffusion^[3]. Som ett resultat av detta flödar spinn från koboltlagret in i grafenlagret som ultrasnabba spinnströmmar i SFEJ. Genom att applicera ett elektriskt fält kunde forskarna styra de ultrasnabba spinnströmmarna, vilket minskade tiden för kobolts avmagnetisering från 200 till mindre än 100 femtosekunder, vilket mer än fördubblade hastigheten.

– Hittills har man kunnat påskynda magnetiska processer genom att ändra själva materialet eller dess struktur. För första gången har vi nu kunnat styra ultrasnabb magnetism med ett elektriskt fält utan att förändra materialet, säger David Muradas-Belinchón, doktorand vid Institutionen för fysik och astronomi.

Spinnfältseffekttransistorn fungerar på samma sätt som en elektrisk transistor: gateelektroden applicerar ett elektriskt fält på grafen, vilket förskjuter dess elektrontäthet. Eftersom grafen är i direkt kontakt med kobolt reglerar denna inställning hur effektivt spinn flödar över gränssnittet, vilket ger en direkt kontroll över ultrasnabb magnetism. Demagnetiseringshastigheten mättes med hjälp av ett femtosekunds pump-probe-lasersystem baserat på den tidsupplösta magnetooptiska Kerr-effekten (TR-MOKE). En pumpimpuls exciterar kobolt och utlöser avmagnetisering, medan en tidsfördröjd mätpuls reflekteras från provet och spårar dess magnetisering (Kerr-effekten). Genom att variera tidsfördröjningen kunde forskarna spåra hur avmagnetiseringshastigheten förändras när man lägger på det elektriska fältet.

De experimentella resultaten bekräftades därefter av teoretiska simuleringar, som genomfördes av Francesco Foggetti, postdoktor vid Institutionen för fysik och astronomi, och Peter Oppeneer, professor vid Institutionen för fysik och astronomi. Med hjälp av superdiffusiv spinnstransportteori^[4] visade de att justering av gränssnittet mellan grafen och kobolt direkt modulerar flödet av spinnvinkelmoment, vilket stämmer överens med de experimentella resultaten.

– Detta är ett nytt paradigm. Magnetiska enheter är centrala för både resilient minne och logik, och att påskynda dessa processer med ett elektriskt fält öppnar spännande möjligheter för energisnål AI-hårdvara och kvantdetektorer, säger Venkata Kamalakar Mutta, universitetslektor vid Uppsala universitet och seniorförfattare till studien.

Genom att forskarna kunde visa på elektrisk styrning av spinnströmmar på femtosekundskalan förenar studien två tidigare separata områden: ultrasnabb magnetism och fälteffektelektronik. Förmågan att styra magneter snabbare och med lägre energi är avgörande för framtida enheter som syftar till att kombinera hastighet, effektivitet och intelligens. Detta kan bana väg för fältstyrda magnetiska minnen och spinnlogik, neuromorfiska enheter som efterliknar hjärnan och precisionskvantsensorer.

Camilla Thulin