به لطف جهشی بزرگ، محققان استفاده‌های عملی از اسپینترونیک را هدف گرفته‌اند

محققان دستگاه های نمونه‌ای را برای کمک به محققان برای کشف کاربردهای بالقوه خلق کردند.
اعتبار: © 2019 موسسه فیزیک حالت جامد
    

جریان الکتریکی تمام دستگاه های الکترونیکی ما را هدایت می کند. زمینه در حال ظهور اسپینترونیک به نظر می رسد به جای جریان الکتریکی با آنچه که به عنوان جریان های چرخشی شناخته می شود کار می کند. محققان دانشگاه توکیو در این زمینه موفق بوده اند. کشف اثر هال اسپین مغناطیسی می‌تواند به دستگاههای کم قدرت، سرعت بالا و با ظرفیت بالا منجر شود. آنها دستگاه های نمونه ای را ایجاد کرده اند که می توانند در برنامه های بالقوه کاربرد تحقیقی بیشتری داشته باشند.
 
پروفسور یوشی چیکا اوتانی از مؤسسه فیزیک حالت جامد می گوید: "برق جهان را روشن کرد و الکترونیک به آن وصل شد." "اسپینترونیک گام بعدی در این ترقی خواهد بود و ما فقط می توانیم در خیالمان پیشرفت هایی که ممکن است حاصل شود را تصور کنیم."
 

اوتانی ادامه می دهد: "به نظر می رسد از اسپینترونیک برای انتقال اطلاعات استفاده می شود، چیزی که ما همیشه از جریان الکتریکی برای آن استفاده می کردیم،" "اما اسپینترونیک مزایای زیادی را ارائه می دهد که بعضی از آنها را ما تازه شروع کرده ایم به درک کردن."
 
در حال حاضر، بهره وری برق دستگاه های الکتریکی و الکترونیکی یک عامل محدود کننده در توسعه فن آوری است. مشکل این است که ماهیت جریان الکتریکی، جریان بار الکتریکی به شکل الکترون است. همانطور که الکترونها از یک مدار عبور می کنند، بعضی از انرژی ها را به صورت گرما از دست می دهند. اسپینترونیک وضعیت را بهبود می بخشد - به جای حرکت، از ویژگی دیگری از الکترون ها برای انتقال اطلاعات، که حرکت زاویه ای و یا چرخش است، استفاده می کند. زمینه در حال ظهور اسپینترونیک به نظر می رسد به جای جریان الکتریکی با آنچه که به عنوان جریان های چرخشی شناخته می شود کار می کند.
 
اوتانی توضیح می دهد: "در جریان های چرخشی الکترون ها هنوز حرکت می کنند اما در مقایسه با جریان بار الکتریکی بسیار کمتر جا به جا می شوند." "این حرکت الکترونها است که به طور معمول منجر به مقاومت و اتلاف گرما می شود. همانطور که نیاز به حرکت زیادِ الکترونی را کاهش می دهیم، کارایی را به طرز چشمگیری افزایش می دهیم."
 
به منظور نشان دادن این پدیده، محققان یک نوع جدید از ماده را ایجاد کردند به نام "پادفرومغناطیس ناهمخط" -  Mn3Sn که یک نوع خاص از آهنربا است. در آهنرباهای روزمره و یا فرومغناطیس - مانند آنچه شما ممکن است در درب های یخچال پیدا کنید، چرخش الکترون ها در درون در راستای موازی ردیف می شود که ماده را با اثر مغناطیسی خود آلوده می کند. در این پادفرومغناطیس اسپین های الکترون ها در ترتیبات مثلثی شکل می گیرند به طوری که هیچ یک جهت غالبی نیست و اثر مغناطیسی به طور موثر سرکوب می شود.
 
هنگامی که یک جریان الکتریکی کوچک به Mn3Sn تغذیه می شود و یک میدان مغناطیسی به درستی به آن اعمال می شود، الکترون ها خود را با توجه به جریان های چرخشی و جریان الکتریکی خود تنظیم می کنند. این اثر هال اسپین مغناطیسی است و این فرآیند را می توان با اثر هال اسپین معکوس مغناطیسی معکوس کرد تا یک جریان الکتریکی از یک جریان اسپینی دریافت شود.
 
در Mn3Sn اسپین های مشابه تمایل دارند روی سطح ماده تجمع یابند، بنابراین این ماده به لایه های نازک برش داده می شود تا سطح آن به حداکثر رسانده شود و بنابراین ظرفیت جریان چرخشی که یک نمونه حمل می کند ماکزیمم شود. محققان قبلاً این مواد را به یک دستگاه کاربردی تعبیه کرده اند که استفاده از آن به عنوان یک بستر آزمون برای برنامه های کاربردی امکان پذیر است و از چشم اندازها هیجان زده شده اند. در این پادفرومغناطیس اسپین های الکترون ها در ترتیبات مثلثی شکل می گیرند به طوری که هیچ یک جهت غالبی نیست و اثر مغناطیسی به طور موثر سرکوب می شود.

 
اوتانی می گوید: "بهره وری برق در سیستم های الکتریکی به اندازه کافی برای تحریک علاقه مندان به برخی از محصولات کافی است، اما استفاده از پادفرومغناطیس ها برای تولید جریان های اسپین می تواند جنبه های دیگر فناوری را بهبود بخشد." "پادفرومغناطیس ها به راحتی مینیاتوری می شوند، در فرکانس های بالاتر کار می کنند و به طور چگال تری نسبت به فرومغناطیس ها توده می شوند."
 

اوتانی ادامه می دهد: "کوچک سازی به این معنی است که دستگاه های اسپینترونیک می توانند به داخل میکروچیپ ها ساخته شوند." "فرکانس های بالا به این معنی است که تراشه های اسپینترونیک می توانند موارد الکترونیکی را در سرعت عملیاتی کاملاً اجرا کنند، و چگالی بالاتر منجر به ظرفیت حافظه بیشتر می شود. همچنین اتلاف کم در جریان های چرخشی در دمای اتاق باعث افزایش کارایی بیشتر انرژی می شود."
 
دستگاه های مبتنی بر اثر هال اسپینی سنتی قبلاً در تحقیقات اسپینترونیک وجود داشته است، اما اثر هال اسپین مغناطیسی و مواد نوین مورد استفاده می توانند به شدت تمام انواع فن آوری را بهبود بخشند..
 
اوتانی می گوید: "کارهای زیادی وجود دارد که باید انجام شود از جمله کشف اصول اساسی پشت پدیده ای که ما بررسی می کنیم." "در حالی که توسط اسرار مواد عجیب و غریب هدایت می شوم، هیجان زده ام که به عنوان بخشی از این انقلاب تکنولوژیکی قلمداد شوم."
 
منبع گزارش:
 
مطالب ارائه شده توسط دانشگاه توکیو.
 
بر گرفته از مجله:
Motoi Kimata، هوآ چن، کواتا کاندو، ساتوشی Sugimoto، Prasanta K. Muduli، محمد Iklas، Yasutomo Omori، Takahiro Tomita، Allan. H. مک دونالد، Satoru Nakatsuji، Yoshichika Otani. اثرات هال مغناطیسی و مغناطیسی معکوس در یک پادفرومغناطیس ناهمخط. طبیعت، 2019؛ 565 (7741): 627 DOI: 10.1038 / s41586-018-0853-0