p Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) determinou como usar íons de hidrogênio, "bombeado" da água no ar em temperatura ambiente, para controlar eletricamente o magnetismo dentro de uma amostra muito fina de um material magnético. Esta abordagem para manipular propriedades magnéticas pode acelerar os avanços na computação, sensores, e outras tecnologias. p A pesquisa, descrito em 12 de novembro, 2018, edição online de Materiais da Natureza , foi realizada em parte na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II de Brookhaven (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility. As medições, tomadas na linha de luz Coherent Soft ray Scattering (CSX) do NSLS-II, foram fundamentais para revelar o mecanismo microscópico envolvido, em particular a presença de íons de hidrogênio dentro da amostra e seu papel nas mudanças da estrutura magnética da amostra.

p Rumo à spintrônica convencional

p Entre as várias aplicações possíveis desta pesquisa está o seu potencial para se tornar uma nova plataforma para o campo de desenvolvimento da spintrônica, dispositivos baseados não apenas na carga eletrônica, mas também no spin eletrônico, a propriedade embutida de um elétron que o faz atuar como um pequeno ímã.

p Ao contrário da eletrônica padrão, que dependem da tecnologia de semicondutor de óxido de metal complementar (CMOS) (usada para fazer cada um dos bilhões de transistores em um microchip), dispositivos spintrônicos são construídos sobre materiais magnéticos, que contêm átomos magnéticos, como ferro ou manganês. Dispositivos spintrônicos podem reter suas propriedades magnéticas sem um fornecimento constante de energia, ao contrário dos microchips padrão, e, porque eles geram muito menos calor, são mais eficientes em termos de energia.

p "À medida que as tecnologias CMOS se aproximam do fim de seu roteiro, dispositivos baseados em spin estão sendo amplamente perseguidos para além da era CMOS, "disse o pesquisador principal do estudo, Geoffrey Beach do MIT, professor de ciência e engenharia de materiais e codiretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais do MIT. "Um dos requisitos para trazer a spintrônica para a corrente principal é uma maneira eficaz de controlar eletricamente o magnetismo. Essencialmente, estamos tentando fazer um análogo magnético de um transistor. "

p Uma abordagem para alcançar esse controle é inserir íons na estrutura que podem se mover entre as camadas e modular seu comportamento eletromagnético. Isso é chamado de comutação magneto-iônica. Os pesquisadores já produziram alguns resultados promissores, mas os tipos de íons usados ​​em investigações anteriores causaram mais problemas do que resolveram. Neste estudo, a equipe conseguiu remediar alguns desses problemas usando íons de hidrogênio (H +), que são relativamente inócuos e também os menores íons possíveis, tornando-os ideais para induzir mudanças rápidas impulsionadas por campo elétrico em estruturas de estado sólido.

p "A comutação magneto-iônica é um caminho importante para manipular eletricamente o magnetismo em baixa potência, "disse o pesquisador principal do Brookhaven Wen Hu, um cientista de linha de luz na linha de luz CSX. "Migração de íons de hidrogênio, controlado por tensões elétricas, desempenha um papel fundamental nesta pesquisa e pode levar a novas aplicações de dispositivos spintrônicos. "

p Os raios X confirmam a bomba de prótons

p Os pesquisadores demonstraram o uso de íons de hidrogênio para comutação magneto-iônica reversível em uma estrutura em camadas que consiste em uma base de platina, cobalto, paládio, óxido de gadolínio, e um contato de ouro para completar. O paládio (Pd) é bem conhecido por sua capacidade de armazenar hidrogênio nos "recantos" de sua rede atômica. Colocando uma tensão na amostra, e alternando entre uma tensão positiva e negativa, pode bombear hidrogênio para dentro e para fora da camada de Pd, alternando o magnetismo para frente e para trás de fora do plano para dentro do plano. Esta é a primeira vez que cientistas demonstram "hidratação" reversível de um metal pesado.

p Para verificar se o hidrogênio foi inserido na camada de Pd, o grupo realizou espectroscopia de absorção de raios X (XAS) na linha de luz CSX. A CSX oferece aos pesquisadores ferramentas de imagem e espalhamento de raios-X suaves de última geração, e foi projetado para estudar a textura eletrônica e o comportamento de materiais compostos. Com XAS, os pesquisadores podem determinar a estrutura eletrônica local em torno de elementos específicos em sua amostra - mesmo detectando mudanças muito pequenas - devido à natureza sintonizável dos raios-x.

p "Realizamos medições XAS com um feixe de raios-X muito pequeno (aproximadamente 100 mícrons) para visar a parte ativa da estrutura projetada. Observamos uma mudança clara no espectro de Pd ao alterar a voltagem aplicada à amostra, que foi um sinal da transformação de Pd em PdH, "disse Claudio Mazzoli, cientista-chefe da linha de luz na linha de luz CSX. "Essas medições forneceram evidências diretas do mecanismo microscópico acontecendo nas profundezas da amostra. Assim, agora sabemos que a inserção de hidrogênio no dispositivo é a explicação para as mudanças nas propriedades magnéticas da amostra, detectadas por medições de laboratório. "

p "Este é um método muito novo e único, e abre uma maneira inteiramente nova de modular campos magnéticos em dispositivos de estado sólido, potencialmente impactando aplicações spintrônicas, "disse Hu.