Segurando o material certo no ângulo certo, os pesquisadores da Cornell descobriram uma estratégia para mudar a magnetização em camadas finas de um ferromagneto – uma técnica que poderia levar ao desenvolvimento de dispositivos de memória magnética mais eficientes em termos de energia.
O artigo da equipe, "Tilted Spin Current Generated by the Collinear Antiferromagnet Ruthenium Dioxide", publicado em 5 de maio na Nature Electronics . Os autores co-líderes do artigo são o pesquisador de pós-doutorado Arnab Bose e os estudantes de doutorado Nathaniel Schreiber e Rakshit Jain.

Durante décadas, os físicos tentaram mudar a orientação dos spins dos elétrons em materiais magnéticos, manipulando-os com campos magnéticos. Mas pesquisadores como Dan Ralph, o F.R. Newman Professor de Física na Faculdade de Artes e Ciências e autor sênior do artigo, em vez disso, olharam para o uso de correntes de spin transportadas por elétrons, que existem quando os elétrons têm spins geralmente orientados em uma direção.

Quando essas correntes de spin interagem com uma fina camada magnética, elas transferem seu momento angular e geram torque suficiente para mudar a magnetização em 180 graus. (O processo de mudar essa orientação magnética é como se escreve informações em dispositivos de memória magnética.)

O grupo de Ralph se concentrou em encontrar maneiras de controlar a direção do spin nas correntes de spin, gerando-as com materiais antiferromagnéticos. Em antiferromagnetos, todos os outros spins de elétrons apontam na direção oposta, portanto, não há magnetização líquida.

"Essencialmente, a ordem antiferromagnética pode diminuir as simetrias das amostras o suficiente para permitir que existam orientações não convencionais de corrente de spin", disse Ralph. "O mecanismo de antiferromagnetos parece dar uma maneira de obter correntes de spin bastante fortes também."

A equipe estava experimentando o dióxido de rutênio antiferromagneto e medindo as maneiras como suas correntes de spin inclinavam a magnetização em uma fina camada de uma liga magnética de níquel-ferro chamada Permalloy, que é um ferromagneto macio. Para mapear os diferentes componentes do torque, eles mediram seus efeitos em uma variedade de ângulos de campo magnético.

"Nós não sabíamos o que estávamos vendo no início. Era completamente diferente do que vimos antes, e levamos muito tempo para descobrir o que é", disse Jain. “Além disso, esses materiais são difíceis de integrar em dispositivos de memória, e nossa esperança é encontrar outros materiais que mostrem comportamento semelhante e que possam ser integrados facilmente”.

Os pesquisadores eventualmente identificaram um mecanismo chamado "divisão de rotação dependente do momento" que é exclusivo do óxido de rutênio e outros antiferromagnetos da mesma classe.

"Durante muito tempo, as pessoas assumiram que em antiferromagnetos os elétrons de spin para cima e para baixo sempre se comportavam da mesma forma. Essa classe de materiais é realmente algo novo", disse Ralph. "Os estados eletrônicos de spin para cima e para baixo têm essencialmente dependências diferentes. Uma vez que você começa a aplicar campos elétricos, isso imediatamente lhe dá uma maneira de fazer fortes correntes de spin porque os elétrons de spin para cima e para baixo reagem de maneira diferente. Então você pode acelerar um deles mais do que o outro e obter uma forte corrente de rotação dessa maneira."

Este mecanismo foi hipotetizado, mas nunca antes documentado. Quando a estrutura cristalina no antiferromagneto é orientada adequadamente dentro dos dispositivos, o mecanismo permite que a corrente de spin seja inclinada em um ângulo que pode permitir uma comutação magnética mais eficiente do que outras interações spin-órbita.

Agora, a equipe de Ralph espera encontrar maneiras de fazer antiferromagnetos nos quais eles possam controlar a estrutura do domínio - ou seja, as regiões onde os momentos magnéticos dos elétrons se alinham na mesma direção - e estudar cada domínio individualmente, o que é um desafio porque os domínios são normalmente misturado.

Eventualmente, a abordagem dos pesquisadores pode levar a avanços em tecnologias que incorporam memória magnética de acesso aleatório.

"A esperança seria fazer dispositivos de memória magnética muito eficientes, muito densos e não voláteis que melhorassem os dispositivos de memória de silício existentes", disse Ralph. "Isso permitiria uma mudança real na maneira como a memória é feita nos computadores, porque você teria algo com resistência essencialmente infinita, muito denso, muito rápido, e a informação permanece mesmo se a energia for desligada. Não há memória que faça isso isso nos dias de hoje." + Explorar mais

Meios altamente eficientes para reverter a magnetização com correntes de spin