p O rápido aumento no consumo de energia relacionado às tecnologias digitais é um grande desafio global. Um problema chave é a redução do consumo de energia dos dispositivos de armazenamento magnético de dados, que são usados, por exemplo, em grandes centros de dados. p Uma equipe de pesquisa internacional liderada pelo Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e com a participação da Prof. Karin Leistner e Dr. Jonas Zehner da Professora de Sensores Eletroquímicos e Armazenamento de Energia do Instituto de Química da Universidade de Tecnologia de Chemnitz (anteriormente chefe da O grupo de pesquisa Magneto-iônica e Nanoeletrodeposição no Instituto Leibniz para Estado Sólido e Pesquisa de Materiais (IFW) (Dresden) agora demonstra reversão de magnetização de 180 ° por carregamento de hidrogênio induzido por voltagem em ferriímãs.

p Este resultado é de grande relevância, como a reversão da magnetização de 180 ° por campos puramente elétricos é inerentemente difícil de acordo com os princípios fundamentais, mas promete uma redução drástica no consumo de energia para comutação de magnetização. Para aplicação em armazenamento e manipulação de dados, A comutação de magnetização de 180 ° é crucial, já que a magnetização nos bits individuais é geralmente oposta por 180 °. Assim, o resultado do estudo tem o potencial de abrir um caminho para reduzir drasticamente o consumo de energia global do armazenamento de dados.

p Além dos participantes do MIT e da Chemnitz University of Technology, a equipe de pesquisa incluiu cientistas da Universidade de Minnesota, Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia e ALBA Synchrotron em Barcelona. A liderança foi assumida pelos cientistas materiais Dr. Mantao Huang e Prof. Geoffrey Beach do MIT, especialistas em dispositivos magneto-iônicos baseados em hidrogênio e spintrônica.

p Os resultados foram publicados na renomada revista. Nature Nanotechnology .

p Nova abordagem

p Em mídia de armazenamento de dados magnéticos, como unidades de disco rígido ou MRAMs (memórias magnéticas de acesso aleatório), as informações são armazenadas por meio de um alinhamento específico de magnetização em áreas microscópicas. A direção da magnetização é geralmente ajustada por correntes elétricas ou campos magnéticos locais - esses campos magnéticos também são gerados por correntes elétricas em micro-bobinas. Em ambos os casos, a corrente elétrica leva à perda de energia pelo aquecimento Joule. Portanto, o controle da magnetização por campos elétricos é uma abordagem promissora para reduzir o consumo de energia das tecnologias de dados magnéticos. Até aqui, Contudo, O controle do campo elétrico da magnetização requer altas tensões ou está restrito a baixas temperaturas.

p Como uma nova abordagem para comutação de magnetização induzida por tensão, a equipe de pesquisa aproveitou as propriedades específicas dos ferriímãs. Os ferriímãs oferecem uma configuração de sub-rede com magnetizações de sub-rede de magnitudes diferentes opostas entre si. A magnetização líquida surge da adição das contribuições da sub-rede. Os ferriímãs também têm vantagens tecnológicas sobre os ferromagnetos usados ​​convencionalmente, como eles permitem, por exemplo, dinâmica de rotação rápida.

p Para gadolínio-cobalto ferrimagnético (GdCo), os pesquisadores puderam demonstrar que as magnetizações de sub-rede relativas podem ser revertidas por carga / descarga de hidrogênio induzida por tensão. Por esta, o GdCo foi combinado com uma camada de óxido de gadolínio (GdOx) como eletrólito de estado sólido e uma camada intermediária de paládio (Pd). Ao aplicar uma tensão de porta em toda a estrutura, os prótons são direcionados para o eletrodo inferior e levam à hidrogenação da camada de Pd / GdCo. A introdução de hidrogênio na rede GdCo leva a uma redução mais forte da magnetização da sub-rede de Gd do que em Co. Este chamado efeito magneto-iônico é estável por mais de 10.000 ciclos. Isso poderia ser evidenciado por espectroscopia de dicroísmo circular magnético de raios-X (XMCD) específica do elemento e é a base da comutação de magnetização demonstrada.

p Para alcançar reversão de magnetização de 180 ° sem campos magnéticos externos, os pesquisadores funcionalizaram a estrutura da camada de GdCo / Pd / GdOx com uma camada adicional de óxido de níquel (NiO) antiferromagnético. Aqui, eles lucram com o chamado efeito "Exchange Bias". Este efeito ocorre quando camadas ferri ou ferromagnéticas são colocadas em contato com uma camada antiferromagnética. É baseado no acoplamento dos spins magnéticos interfaciais e leva à fixação da direção de magnetização do ferro / ferriímã. O efeito de polarização de câmbio é usado, por exemplo., em sensores magnéticos em cabeças de leitura de unidades de disco rígido para fixar a direção de magnetização de uma camada de referência. Para GdCo ferromagnético, o contato com o NiO antiferromagnético leva a uma fixação da direção das magnetizações da sub-rede. Nesse caso, durante a comutação magneto-iônica, a magnetização líquida muda em 180 °. Isso significa, pela primeira vez, uma reversão de magnetização controlada por campo puramente elétrico sem a ajuda de um campo magnético.

p A Profa. Karin Leistner e o Dr. Jonas Zehner trouxeram seus conhecimentos sobre a transferência de controle magneto-iônico para sistemas de troca de polarização. "Meu grupo estuda intensamente a combinação de sistemas magneto-iônicos com camadas aniferromagnéticas e agora somos especialistas no controle magneto-iônico de viés de troca, "explica a Prof. Karin Leistner. Durante seu tempo de Ph.D. no grupo de pesquisa de Karin Leistner no IFW Dresden, Jonas Zehner aproveitou a oportunidade de uma estadia de pesquisa de seis meses no grupo do Prof. Beach no MIT. Durante esta estadia de pesquisa, junto com Prof. Karin Leistner e Prof. Geoffrey Beach, Jonas Zehner iniciou e otimizou a estrutura da camada de troca-polarização necessária para a reversão de magnetização de 180 °. Por esta, ele primeiro combinou o sistema de modelo magneto-iônico Co / GdOx com NiO antiferromagnético. Ele preparou sistemas de filme fino por pulverização catódica de magnetron e analisou a influência da espessura, composição e sequência de camada na polarização de troca resultante e controle magneto-iônico. As propriedades magnéticas durante o carregamento de hidrogênio foram medidas com uma configuração de Efeito Kerr magneto-óptico caseiro. Com esses experimentos, ele descobriu que uma camada ultrafina de Pd entre o GdCo e o NiO é crucial para estabilizar o efeito do viés de troca.