Pesquisadores da Universidade de Twente e da Universidade Normal de Pequim conduziram recentemente um estudo investigando o parâmetro conhecido como perda de memória de rotação (SML) para uma variedade de interfaces diferentes, usando uma combinação de métodos teóricos e computacionais. Seu papel, publicado em Cartas de revisão física , oferece novos insights valiosos que podem informar o design de interfaces mais eficientes.

"O Santo Graal em nosso campo de estudo é um novo conceito em armazenamento de memória magnética que seria 100% eletrônico; ou seja, potencialmente mais rápido, mais denso e mais confiável do que as unidades de disco rígido (HDD) atuais que formam a espinha dorsal da internet (por exemplo, data farms) e que são baseados em um disco magnético girando mecanicamente, onde os dados são acessados ​​por uma cabeça de leitura / gravação flutuando apenas nanômetros acima do disco rígido que gira rapidamente, "Paul Kelly, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "O novo conceito é baseado em algo chamado efeito de spin Hall (SHE), que foi teoricamente previsto há 50 anos, mas observado pela primeira vez em semicondutores em 2004 e dois anos depois em metais. "

Além de ter uma carga, elétrons têm um spin, o que significa que eles podem atuar como 'piões'. Associado a esse spin está um momento magnético. O SHE é uma consequência direta do efeito relativístico denominado acoplamento spin-órbita (SOC), que 'acopla' como os elétrons estão girando (no sentido horário ou anti-horário) com o modo como eles se movem em torno dos átomos.

Como resultado deste efeito, quando uma corrente de carga passa por uma placa de metal pesado como a platina, ele excita uma corrente de spin perpendicular à corrente de carga. Se a platina estiver em contato com um material magnético como o ferro, níquel ou permalloy, uma liga FeNi, a 'corrente de spin' é conduzida para o material magnético vizinho.

"Nas circunstâncias certas, esta corrente de spin pode reorientar a direção para a qual o momento magnético aponta:para cima é '1', para baixo é '0'; e temos a base de um novo tipo de memória magnética, "Kelly explicou." É aqui que entramos. "

Como Kelly continua explicando, a corrente de spin normalmente é degradada quando passa do fio Pt para o material magnético, o que geralmente acontece em interfaces entre dois materiais diferentes. Esta degradação na corrente, conhecido como 'perda de memória giratória' (SML), tem sido o foco de muitos estudos, incluindo o realizado pela equipe de Kelly, e, no entanto, atualmente muito pouco se sabe sobre isso.

"O que se sabe até agora sobre o SML foi obtido a partir de experimentos de baixa temperatura, enquanto 99% do interesse está no que acontece à temperatura ambiente, a temperatura de importância para inúmeras aplicações, "Kelly disse." Nossa pesquisa foi orientada para ser capaz de estudar propriedades como esta. "

O principal objetivo do estudo realizado por Kelly e seus colegas foi estudar o SML e seu comportamento em diferentes interfaces e em temperaturas finitas (onde as vibrações atômicas induzidas pela temperatura e flutuações em momentos magnéticos são inevitáveis). Os pesquisadores se concentraram em quatro combinações de materiais que são normalmente usados ​​ao tentar desenvolver um armazenamento de memória magnética que é totalmente eletrônico.

Nos últimos 20 anos, Kelly e seus colegas desenvolveram códigos de computador que podem ser usados ​​para estudar o transporte de elétrons e spins (ou seja, transporte de rotação) em materiais complexos. Esses códigos são baseados na resolução da 'equação de Schrödinger' da mecânica quântica em uma forma chamada "teoria de espalhamento", que significa que o comportamento dos elétrons é em termos de ondas de matéria.

“Duas etapas importantes no desenvolvimento desses códigos foram a inclusão de efeitos relativísticos, nomeadamente SOC e temperatura na forma de rede induzida pela temperatura e distúrbio de rotação, "Kelly disse." À medida que a temperatura de um material aumenta, os átomos de que o material é composto vibram cada vez mais; isso é chamado de desordem de rede. Se o material for ferromagnético, então os momentos magnéticos nos átomos giram para longe de seu original, orientação uniforme. "

Como uma etapa final no desenvolvimento de código para estudar o transporte de spin por meio de interfaces, Kelly e seus colegas usaram os resultados de seus cálculos de 'espalhamento' da mecânica quântica para computar as correntes de carga e spin observadas por experimentalistas. Em última análise, esse processo permitiu que estudassem o SHE nas interfaces, bem como a degradação das correntes de spin à medida que passam de um material para outro (ou seja, SML).

"A principal diferença entre nosso estudo e aqueles conduzidos por outras equipes de pesquisa é que há muito tempo identificamos as interfaces como um alvo principal e focamos nosso desenvolvimento de código em ser capaz de estudar interfaces entre materiais que têm tamanhos muito diferentes (ou seja, ", disse Kelly." Isso envolveu o uso extensivo de 'métodos de matriz esparsa' para poder lidar com as enormes matrizes numéricas que resultam da descrição de interfaces de forma realista. "

Kelly e seus colegas foram os primeiros a estudar o transporte do spin em função da temperatura por meio de interfaces realistas. Além de introduzir valores numéricos para parâmetros que descrevem este transporte, eles reuniram informações valiosas sobre como esses parâmetros variam em diferentes interfaces, bem como sua dependência dos tipos de distúrbios pelos quais são afetados.

Em particular, os pesquisadores observaram que as interfaces não magnéticas têm uma dependência mínima da temperatura, enquanto as interfaces que contêm ferromagnetos dependem fortemente da temperatura. Eles também descobriram que o SML era maior para certas interfaces, especialmente quando a passagem entre os diferentes materiais é mais abrupta (por exemplo, interfaces Co / Pt).

Finalmente, Kelly e seus colegas descobriram que o SML pode ser significativamente aprimorado por incompatibilidade de rede e liga de interface. No futuro, as observações e percepções que eles reuniram guiarão o projeto de interfaces mais eficazes com várias aplicações possíveis.

"Como próximo passo, queremos estudar diretamente o processo pelo qual uma corrente de spin gerada pelo SHE em um metal pesado é injetada em vários outros materiais, não magnético, bem como magnético, para fazer contato mais próximo com a memória magnética e nanodispositivos relacionados, "Kelly disse." Também estudaremos as propriedades dos novos materiais ferromagnéticos de van der Waals bidimensionais, que podem ter propriedades distintas de transporte de carga e spin e cujas 'interfaces' devem desempenhar um papel fundamental na determinação de suas propriedades magnéticas. "

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