Marcando uma grande conquista no campo da spintrônica, pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven e da Universidade de Yale do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram a capacidade de controlar a dinâmica do spin em materiais magnéticos, alterando sua espessura. O estudo, publicado hoje em Materiais da Natureza , poderia levar a menores, dispositivos eletrônicos mais eficientes em termos de energia.

"Em vez de procurar materiais diferentes que compartilham as frequências certas, podemos agora alterar a espessura de um único material - ferro, neste caso, para encontrar um meio magnético que permitirá a transferência de informações através de um dispositivo, "disse o físico de Brookhaven e investigador principal Valentina Bisogni.

A eletrônica tradicional depende de uma propriedade fundamental dos elétrons - carga - para transmitir informações. Mas, à medida que a corrente elétrica flui por um dispositivo, dissipa calor, limitando como pequenos dispositivos podem ser projetados sem o risco de superaquecimento e sacrificar o desempenho. Para atender à demanda por eletrônicos menores e mais avançados, os pesquisadores estão procurando uma abordagem alternativa com base em uma propriedade fundamental diferente dos elétrons - o spin. Semelhante a cobrar, o giro pode se mover por todo o material como uma corrente. A diferença é que uma corrente de carga é composta de elétrons que se movem fisicamente, enquanto em uma corrente de spin, "os elétrons não se movem; em vez disso, eles passam a direção do giro um para o outro, como se estivessem passando um bastão em uma corrida de revezamento - uma corrida que tem uma longa cadeia de "corredores" que nunca realmente correm.

“Sempre há necessidade de mais memória ou capacidade de armazenamento em dispositivos eletrônicos, e a dissipação de calor atualmente nos impede de criar dispositivos em menor escala, ", Disse Bisogni." Depender da rotação em vez da carga reduz significativamente o superaquecimento nos dispositivos, portanto, o objetivo da spintrônica é realizar as mesmas funcionalidades do dispositivo, ou melhor, que já são conhecidos na eletrônica tradicional - sem as desvantagens. "

A data, a dinâmica do spin foi tipicamente medida usando técnicas de espalhamento de nêutrons; Contudo, este método requer que as amostras sejam estudadas a granel (vários gramas de amostra de uma vez). Em aplicativos do mundo real, o material deve ser reduzido para tamanhos muito menores.

"É muito difícil prever o desempenho de certos materiais em diferentes escalas de comprimento, "Disse Bisogni." Dado que muitos dispositivos eletrônicos consistem em uma quantidade muito pequena de material, é importante estudar como as propriedades em um filme fino se comparam ao volume. "

Para resolver esta questão científica, a equipe de pesquisa usou uma técnica chamada espalhamento inelástico de raios-X ressonante (RIXS) para estudar filmes finos de ferro tão finos quanto um nanômetro. Embora RIXS seja bem estabelecido no campo científico, este estudo é apenas um dos poucos exemplos em que os pesquisadores usaram essa técnica para estudar a dinâmica do spin em um material tão fino. A conquista foi possível graças aos recursos avançados da linha de luz de dispersão de raios-X inelástica suave (SIX) na Fonte de luz síncrotron nacional II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory.

"Fomos capazes de realizar essas medições combinando a fonte ultrabright de raios-X no NSLS-II com a resolução de energia incomparável e espectrômetro na linha de luz SIX, "disse Jonathan Pelliciari, principal autor do estudo e cientista da SIX.

A linha de luz SIX está equipada com um braço espectrômetro de 15 metros de comprimento, alojado em seu próprio prédio adjacente ao andar experimental do NSLS-II. Este longo, o braço móvel permite ao SIX obter uma resolução de energia extremamente alta e revelar o movimento coletivo dos elétrons e seu spin dentro de um material.

Primeiro estudando o ferro em massa, a equipe de pesquisa confirmou os resultados de técnicas anteriores de espalhamento de nêutrons. Então, conforme eles se moviam em direção a materiais mais finos, eles não apenas observaram com sucesso a dinâmica do spin na escala atômica, mas também descobriu que a espessura pode atuar como um "botão" para ajuste fino e controle da dinâmica do spin.

"Foi emocionante ver a maneira como o ferro manteve suas propriedades ferromagnéticas desde o grosso até apenas algumas monocamadas, "disse Bisogni, cientista-chefe da linha de luz da SIX. "Sendo o ferro um material tão elementar e simples, consideramos este um caso de referência para estudar a evolução das propriedades em função da espessura usando RIXS. "

Pelliciari acrescentou, “Este trabalho é o resultado de uma forte sinergia entre instalações de classe mundial. Além do experimento de alto nível e estudo de caracterização feito no NSLS-II, esta pesquisa não teria sido possível sem a experiência e os recursos de síntese de última geração de nossos colegas da Universidade de Yale. "

"Porque Yale fica a apenas duas horas de distância do NSLS-II, Pude participar totalmente do experimento, "disse Sangjae Lee, um estudante de graduação no laboratório Charles Ahn da Universidade de Yale. Lee e Ahn são co-autores do estudo. "Este experimento foi uma oportunidade inspiradora para realizar medições síncrotron práticas com cientistas de classe mundial no NSLS-II."

Pesquisadores do departamento de física da matéria condensada e ciência dos materiais de Brookhaven também forneceram suporte teórico para a melhor interpretação dos dados experimentais.

A equipe de pesquisa da SIX continuará a usar RIXS para observar propriedades de materiais relacionadas à spintrônica. Seu objetivo final é desenvolver um "botão liga ou desliga" para controlar a dinâmica do spin em dispositivos e entender o mecanismo microscópico subjacente.