Forskning: Ny upptäckt kan ge snabbare spinntroniska element

2019-12-03

Uppsalafysiker har kunnat visa att det finns en ny form av magnetiskt vridmoment som kan göra spinntroniska element ännu snabbare än de är idag. Forskningen har publicerats i Nature Communications.

Inom spinntroniken används elektronernas magnetiska egenskaper, deras spinn, för olika typer av lagring och bearbetning av data. I framtiden förväntas spinnmomentet på en enda atom i ett material bli den minsta magnetiska databäraren. Men det behövs dock en ny typ av teknologi för att energisnålt och ännu snabbare än idag kunna förändra magnetiska moment på enskilda atomer.

Ett lovande sätt för att kunna åstadkomma denna förändring i ett material, en så kallad switch, är att utnyttja spinn-banvridmomentet som härstammar från spinn-bankopplingen i materialet. Spinn-banvridmomentet uppstår när en elektrisk ström skickas genom materialet, genom den så kallade Rashba-Edelsteineffekten, som de ryska fysikerna Rashba och Edelstein lade grunden till på 60- och 80-talet. Men mycket kring hur det fungerar är fortfarande okänt.

Uppsalaforskarna Leandro Salemi, Marco Berritta, Ashis Nandy och Peter Oppeneer har nu visat att det finns nya former av Rashba-Edelsteineffekten i topologiska antiferromagneter, vilka har speciella symmetriegenskaper. De topologiska antiferromagneterna har en spegelsymmetri tillsammans med tidssymmetri, vilket gör det möjligt att förändra atomernas magnetiska moment till motsatt riktning, att skapa en switch. Genom noggranna relativistiska kvantmekaniska beräkningar kunde Uppsalafysikerna bevisa att elektrisk ström leder till ett stort magnetiskt orbitalmoment på atomerna, det vill säga ett stort sammanlagt magnetiskt banmoment som uppstår då elektronerna rör sig runt atomkärnan.

Bilden visar en modell av spegelsymmetri tillsammans med tidssymmetri i en antiferromagnet, till exempel CuMnAs eller Mn2Au. Strömmen J leder till ett inducerat magnetiskt orbitalmoment på atomerna A och B som utövar ett vridmoment tL som får atomernas spinnmoment (röda vektorer) att switcha om. Bild: Leandro Salemi.

Beräkningar på antiferromagneterna CuMnAs och Mn2Au visade att det orbitala momentet som skapas vid påverkan av ett yttre elektriskt fält är närmare 45 gånger högre än spinnmomentet och därmed kan leda till ett större spinn-banvridmoment. De kunde också visa på att det inducerade orbitala momentet och spinn-banvridmomentet kan drivas med elektriska fält i väldigt höga frekvenser, vilket öppnar nya perspektiv för supersnabb spinntronik i storleksordningen 1015 Hz i framtiden.

– Jag blev väldigt överraskad när jag fick email från professor Rashba, som har passerat 90 år, och som särskilt lovordade vårt forskningsframsteg inom kvantspinntronik, säger Leandro Salemi, doktorand vid institutionen för fysik och astronomi.

Artikelreferens

Leandro Salemi, Marco Berritta, Ashis Nandy & Peter Oppeneer (2019), Orbitally dominated Rashba-Edelstein effect in noncentrosymmetric antiferromagnets, Nature Communications 2019, 10, 5381, DOI: 10.1038, https://doi.org/10.1038/s41467-019-13367-z

Kontakt

Leandro Salemi, tel. 0723 654186, leandro.salemi@physics.uu.se
Peter Oppeneer, tel. 0709 604016, peter.oppeneer@physics.uu.se

Camilla Thulin