Ao longo da última década ou assim, físicos e engenheiros têm tentado identificar novos materiais que possibilitem o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais rápidos, menor e mais robusto. Isso se tornou cada vez mais crucial, já que as tecnologias existentes são feitas de materiais que estão gradualmente se aproximando de seus limites físicos.

Spintrônica antiferromagnética (AFM) são dispositivos ou componentes para eletrônicos que acoplam um fluxo de corrente de carga à 'textura' de spin ordenada de materiais específicos. Na física, o termo spin refere-se ao momento angular intrínseco observado em elétrons e outras partículas.

O desenvolvimento bem-sucedido da spintrônica AFM pode ter implicações muito importantes, pois poderia levar à criação de dispositivos ou componentes que ultrapassam a lei de Moore, um princípio introduzido pela primeira vez pelo fabricante de microchip Gordon Earle Moore. A lei de Moore afirma essencialmente que a memória, a velocidade e o desempenho dos computadores podem dobrar a cada dois anos devido ao aumento no número de transistores que um microchip pode conter.

Embora as tecnologias atuais estejam atingindo seus limites físicos, A spintrônica AFM pode superar significativamente os dispositivos existentes em velocidade e desempenho, indo muito além da lei de Moore. Apesar de suas qualidades vantajosas, Encontrar materiais com as características exatas necessárias para fabricar spintrônica AFM até agora provou ser um grande desafio.

Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, UC Berkeley e o National High Magnetic Field Laboratory em Tallahassee identificaram recentemente um novo material quântico (Fe _{1/3 + δ} NbS ₂ ) que podem ser usados ​​para fabricar dispositivos spintrônicos AFM. Em seus artigos mais recentes, publicado em Avanços da Ciência e Física da Natureza , eles demonstraram a viabilidade de usar este material para duas aplicações de spintrônica AFM.

"O trabalho publicado em Avanços da Ciência foi motivado por nossa publicação anterior, que demonstrou a comutação antiferromagnética nos compostos à base de dichalcogeneto de metal de transição (TMD) intercalados pela primeira vez, "James G. Analytis, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em nosso outro estudo recente, apresentado em Física da Natureza , mostramos que esses mesmos materiais têm um grande 'viés de troca' - uma propriedade que pode ser usada para válvulas de spin para garantir que o transporte de spin em dispositivos spintrônicos viaje em uma direção, mas não em outra. "

Analytis e seus colegas descobriram que densidades de corrente ultrabaixas permitiam comutação elétrica altamente estável em TMDs, que têm mostrado grande promessa para o desenvolvimento de novas tecnologias. Quando comparado com outros sistemas antiferromagnéticos comutáveis ​​conhecidos, na verdade, esses materiais exibiram características adicionais, como uma saturação de pulso único e uma energia de ativação significativamente menor (duas ordens de magnitude menor).

Os pesquisadores não tinham certeza de por que esses materiais exibiam essas extraordinárias características de comutação. Uma observação que eles pensaram que poderia ajudá-los a resolver esse enigma foi que os materiais apresentavam uma fase magnética desordenada adicional, conhecido como vidro giratório, que coexistiu com a fase antiferromagnética.

"Nossa pesquisa em andamento mostra que essa coexistência de fase é altamente influenciada pelo valor de intercalação de ferro, e consequentemente, determina como este sistema responderá à injeção de pulsos elétricos DC, "Eran Maniv, o autor principal do projeto, disse a Phys.org. "Nossos novos dados mostraram que a mudança é pronunciada apenas quando as duas fases coexistem e é significativamente suprimida quando a fase de vidro giratório está ausente."

O objetivo principal dos estudos recentes dos pesquisadores foi entender como a coexistência do vidro de spin e das fases antiferromagnéticas em dichalcogenetos de metais de transição poderia impactar suas capacidades de comutação elétrica. Mais especificamente, Analytis, Maniv e seus colegas esperavam desvendar a física por trás do mecanismo que aumenta a comutação antiferromagnética nesses materiais.

Um vidro de spin é um sistema magnético que exibe interações magnéticas conflitantes e distribuídas aleatoriamente. Ele poderia ser descrito aproximadamente como um ímã desordenado. O estado do vidro giratório, que os pesquisadores observaram em dichalcogenetos de metais de transição, não está presente em sistemas antiferromagnéticos comutáveis ​​existentes.

"Ao contrário de um ferromagneto ou um antiferroímã, onde os giros apontam em direções específicas, os pontos de rotação de um vidro giratório, na média, em todas as direções, "Analytis disse." No entanto, os giros de um vidro giratório ainda estão colados uns aos outros, assim como os spins de um ferromagneto ou um AFM. Isso faz com que eles se movam juntos, possibilitando as chamadas dinâmicas coletivas. A origem do novo e aprimorado mecanismo de comutação que observamos reside na dinâmica coletiva de um vidro giratório. "

Maniv, Analytis e seus colegas descobriram que, quando um pulso de corrente elétrica é injetado em um vidro giratório, seus spins giram coletivamente. Este fenômeno ocorre devido à natureza desordenada da fase vítrea, o que permite que os giros congelados girem em uníssono sem nenhum custo adicional de energia.

Os pesquisadores observaram que o movimento coletivo do vidro de rotação pode conferir torque de rotação na fase antiferromagnética coexistente, que, em última análise, gira os spins de um AFM, para que seus domínios apontem predominantemente em uma direção. A rotação coletiva dos spins é o mecanismo-chave por trás da troca aprimorada exibida pelos TMDs. Interessantemente, os pesquisadores descobriram que a interação entre o vidro de rotação e as fases AFM também dá origem ao viés de troca gigante relatado em seu recente artigo publicado na Nature Physics.

"Esta comutação antiferromagnética, mostrando domínios girados de pulso único com alta eficácia, nunca foi observado, até agora, "Disse Maniv." A capacidade de controlar e melhorar significativamente a comutação antiferromagnética altamente desejável é um avanço nas tecnologias relacionadas à spintrônica. Além disso, revelar esse efeito no playground de materiais ricos dos TMDs permitirá estudos futuros de temperatura ambiente e características aprimoradas. "

Notavelmente, o novo sistema magnético e comutável identificado por Analytis e seus colegas tem dinâmica ultrarrápida, é robusto a campos magnéticos e também ativa em densidades de corrente mais baixas do que qualquer material conhecido. A resposta deste sistema a pulsos elétricos permite ativação de pulso único altamente eficiente e estados de comutação que são muito mais estáveis ​​e poderosos do que aqueles observados em outros materiais antiferromagnéticos conhecidos.

"Uma das nossas observações mais marcantes foi a possível presença dos" Modos Halperin-Saslow (HS) teoricamente previstos "(ou seja, ondas giratórias em um vidro giratório), "Disse Maniv." Prevê-se que essas ondas de spin se formem em certas fases do vidro de spin e estão diretamente relacionadas ao movimento coletivo global ativado por pulsos de corrente elétrica. "

Modos HS são modos hidrodinâmicos que os físicos Halperin e Saslow previram que existiriam em vidros de spin. Embora Analytis e seus colegas não tenham observado esses modos diretamente, eles encontraram pistas que podem abrir o caminho para sua realização experimental. Esta é uma descoberta particularmente interessante, já que os pesquisadores vêm tentando observar diretamente esses modos há décadas.

"Agora pretendemos nos concentrar em revelar o vidro de spin - modos de onda de spin (ou seja, Modos HS), "Disse Analytis." Um dos meus co-autores no trabalho, Shannon Haley, agora está conduzindo novos experimentos para estudar a comutação não local em amostras fabricadas com feixes de íons focalizados. Adicionalmente, pretendemos estudar vários TMDs intercalados que podem apresentar efeitos semelhantes, mas em diferentes temperaturas, permitindo-nos acessar este novo mecanismo em temperatura ambiente. "

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