Os físicos mudam o estado magnético usando a corrente de spin

Uma ilustração mostra a carga não convencional para transdução de spin em um material quântico com estrutura cristalina de baixa simetria. (Esquerda) Um modelo mostrando a estrutura cristalina de WTe₂ , onde o eixo a e o eixo b são rotulados. O cristal é invariante (não invariante) em uma operação de espelho bc (ac). (Canto superior direito) Quando uma corrente de carga (mostrada pela seta amarela) é aplicada ao longo do eixo b, há apenas um componente no plano da polarização do spin, conforme mostrado pelas setas verdes. (Inferior direito) Por outro lado, quando uma corrente de carga é aplicada ao longo do eixo a, há um componente fora do plano da polarização do spin, conforme mostrado pelas setas verdes. Essa corrente de rotação orientada fora do plano é usada para alternar a magnetização neste trabalho. Crédito:Universidade Carnegie Mellon

Quando os doutorandos da Carnegie Mellon University, I-Hsuan Kao e Ryan Muzzio, começaram a trabalhar juntos, um botão foi acionado. Então desligue.
Trabalhando no Grupo de Laboratório de Investigação de Materiais, Interfaces e Dispositivos Quânticos (LIQUID) do Departamento de Física, Kao, Muzzio e outros parceiros de pesquisa foram capazes de mostrar a prova de conceito de que a execução de uma corrente elétrica através de um novo material bidimensional poderia controlar a estado magnético de um material magnético vizinho sem a necessidade de aplicar um campo magnético externo.

O trabalho inovador, que foi publicado em Nature Materials em junho e tem uma patente relacionada pendente, tem aplicações potenciais para armazenamento de dados em produtos de consumo, como câmeras digitais, smartphones e laptops.

“O que estamos fazendo aqui é utilizar materiais ultrafinos – geralmente com a espessura de poucos átomos – e empilhá-los uns sobre os outros para criar dispositivos de alta qualidade”, disse Kao (à direita), que foi o primeiro autor do artigo.

Simranjeet Singh, professor assistente de física e Jyoti Katoch, professor assistente de física, supervisionam o LIQUID Group, que investiga as propriedades físicas intrínsecas de materiais quânticos bidimensionais, como ditelureto de tungstênio (WTe₂ ) e suas propriedades eletrônicas e relacionadas ao spin.

"Giras e magnetismo estão por toda parte ao nosso redor", disse Singh. "Os átomos se configuram de uma maneira particular em uma rede atômica que, por sua vez, determina as propriedades do material. Para WTe₂ , tem uma estrutura cristalina de baixa simetria que nos permite gerar um tipo especial de corrente de spin aplicando um campo elétrico."

A forma como os átomos são configurados em WTe₂ permite uma corrente de spin orientada fora do plano que, por sua vez, pode ser usada para controlar o estado de magnetização de um ímã. Singh disse que, para mudar o estado magnético (para cima ou para baixo) da maioria dos materiais magnéticos usando a corrente de spin estudada até agora, um campo magnético é aplicado horizontalmente ou no plano. Ter um material que pode alternar o magnetismo sem a necessidade de um campo magnético externo pode levar a um armazenamento de dados e dispositivos lógicos com eficiência energética.

O trabalho pode ser aplicado a dispositivos de memória de acesso aleatório magnetoresistivo (MRAM), que têm o potencial de realizar bits de armazenamento de dados de alta velocidade e compactados usando menos energia.

"As pessoas já podem fazer isso, você pode pegar um material, aplicar um campo elétrico para gerar uma corrente de spin orientada no plano e usá-la para mudar a magnetização de um estado para cima para um estado para baixo ou vice-versa, mas requer um campo magnético", disse Muzzio (à esquerda). “Isso se resume a encontrar um material que tenha a propriedade intrínseca que inclui quebrar a simetria”.

Kao trouxe conhecimentos sobre magnetismo, enquanto Muzzio entendeu como construir os dispositivos e estudou o comportamento dos elétrons em sistemas materiais. Para mostrar que o comportamento era reprodutível, Kao e Muzzio criaram mais de 20 dispositivos ao longo de dois anos.

Os dispositivos simples são minúsculos e permitem que um interruptor seja girado para cima ou para baixo, pense nisso como zeros e uns em binário, disse Kao. Embora os dispositivos possam ter de 3 a 50 mícrons de comprimento ou largura, a espessura é menor que 1/200 de um fio de cabelo humano.

"Acabamos de arranhar a superfície do que esse material pode fazer", disse Muzzio. "Há muito mais espaço de parâmetros para explorarmos e muitas maneiras de utilizar este material. Este é apenas o começo." + Explorar mais