Um fenômeno inesperado conhecido como comutação de campo zero (ZFS) pode levar a menores, memória de baixo consumo e dispositivos de computação do que atualmente é possível. A imagem mostra uma camada de platina (Pt), tungstênio (W), e um ímã de cobalto-ferro-boro (CoFeB) imprensado nas extremidades por eletrodos de ouro (Au) em uma superfície de silício (Si). As setas cinza representam a direção geral da corrente elétrica injetada na estrutura na parte de trás do contato de ouro (Au) e saindo da almofada de contato de ouro frontal.

A camada CoFeB é um ímã de nanômetros de espessura que armazena um pouco de dados. Um "1" corresponde à magnetização CoFeB apontando para cima (seta para cima), e um "0" representa a magnetização apontando para baixo (seta para baixo). O "0" ou "1" pode ser lido tanto eletricamente quanto opticamente, à medida que a magnetização altera a refletividade da luz que incide sobre o material por meio de outro fenômeno conhecido como efeito Kerr magneto-óptico (MOKE).

No dispositivo, a corrente elétrica pode alterar o estado dos dados entre 0 e 1. Dispositivos anteriores desse tipo também exigiam um campo magnético ou outras medidas mais complexas para alterar a magnetização do material. Esses dispositivos anteriores não são muito úteis para a construção estável, dispositivos de memória não volátil.

Um avanço ocorreu em uma colaboração de pesquisa entre a Universidade Johns Hopkins e o NIST. A equipe descobriu que poderia inverter a magnetização CoFeB de forma estável entre os estados 0 e 1, enviando apenas corrente elétrica através das camadas de metal Pt e W adjacentes ao nanoímã CoFeB. Eles não precisavam de um campo magnético. Este efeito ZFS (comutação de campo zero) foi uma surpresa e não havia sido previsto teoricamente.

Em seu trabalho, os pesquisadores criaram um tipo especial de corrente elétrica conhecida como corrente de "spin". Os elétrons que conduzem a corrente elétrica possuem uma propriedade conhecida como spin, que pode ser imaginada como uma barra magnética apontando em uma direção específica através do elétron. Cada vez mais explorado no campo emergente conhecido como "spintrônica, "a corrente de spin é simplesmente uma corrente elétrica em que os spins dos elétrons estão apontando na mesma direção. À medida que um elétron se move através do material, a interação entre seu spin e seu movimento (chamado de torque spin-órbita, SOT) cria uma corrente de spin onde os elétrons com um estado de spin se movem perpendicularmente à corrente em uma direção e os elétrons com o estado de spin oposto se movem na direção oposta. Os giros resultantes que se moveram adjacentes à camada magnética CoFeB exercem um torque nessa camada, fazendo com que sua magnetização seja invertida. Sem a corrente de spin, a magnetização CoFeB é estável contra quaisquer flutuações de corrente e temperatura. Esse efeito ZFS inesperado levanta novas questões aos teóricos sobre o mecanismo subjacente do fenômeno de comutação induzido por SOT observado.

Os detalhes do torque spin-órbita são ilustrados no diagrama. As setas roxas mostram os spins dos elétrons em cada camada. A seta curva azul mostra a direção na qual os giros desse tipo estão sendo desviados. (Por exemplo, na camada W, os elétrons com spin para a esquerda no plano xy são desviados para se moverem para cima em direção ao CoFeB e os spins do elétron para a direita são desviados para se moverem para baixo em direção ao Pt.) Observe os spins do elétron no Pt com spin para a direita (no plano xy), Contudo, são desviados para se moverem para cima em direção ao W e os spins do elétron com spin para a esquerda são desviados para se moverem para baixo em direção ao Si. Isso é oposto à direção em que os spins do elétron no W estão se movendo, e isso é devido às diferenças no SOT experimentado pelos elétrons que se movem através de Pt e aqueles que se movem através de W. Na verdade, é essa diferença na maneira como os elétrons se movem através de cada um desses dois condutores que pode ser importante para ativar o efeito ZFS incomum.

A equipe de pesquisa, incluindo os cientistas do NIST Daniel Gopman, Robert Shull, e o pesquisador convidado do NIST Yury Kabanov, e os pesquisadores da Universidade Johns Hopkins, Qinli Ma, Yufan Li e o professor Chia-Ling Chien, relatar suas descobertas hoje em Cartas de revisão física .

As investigações em andamento pelos pesquisadores procuram identificar outros materiais prospectivos que permitem a comutação de campo zero de um único nanoímã perpendicular, além de determinar como o comportamento do ZFS muda para nanoímãs que possuem tamanhos laterais menores e desenvolver a base teórica para esse fenômeno de comutação inesperado.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.