Naslovnica SCI-TECH Istraživači su razvili novi način upravljanja magnetima

Istraživači su razvili novi način upravljanja magnetima

74
0

By

Strelice označavaju magnetizirane nizove atoma gadolinija (crveno) i kobalta (plavo) u rešetki. Primjena napona na elektrode na vrhu (žute mrlje) opterećuje vodik magnetskim materijalom, što mijenja relativnu veličinu magnetizacije ispod njega, okrećući smjer ukupnog magnetskog polja u tom području. Zasluge: Ljubaznošću istraživača

Reverzibilni sistem može okrenuti magnetsku orijentaciju čestica s malim naponom; moglo dovesti do bržeg skladištenja podataka i manjih senzora.

Većina magneta s kojima se svakodnevno susrećemo izrađeni su od “feromagnetnih” materijala. Magnetske osi sjever-jug većine atoma u tim materijalima poredane su u istom smjeru, pa je njihova kolektivna sila dovoljno jaka da proizvede značajno privlačenje. Ovi materijali čine osnovu za većinu uređaja za pohranu podataka u današnjem svijetu visoke tehnologije.

Manje su uobičajeni magneti na bazi ferimagnetskih materijala, sa “i”. U njima su neki atomi poravnati u jednom smjeru, ali drugi su postavljeni upravo na suprotan način. Kao rezultat toga, ukupno magnetsko polje koje proizvode ovisi o ravnoteži između dva tipa – ako ima više atoma usmjerenih u jednom smjeru od drugog, ta razlika proizvodi neto magnetsko polje u tom smjeru.

U principu, zbog svojih magnetskih svojstava pod snažnim utjecajem vanjskih sila, ferimagnetski materijali trebali bi biti u stanju proizvesti skladišta podataka ili logička kola koja su mnogo brža i mogu pakirati više podataka u određeni prostor od današnjih konvencionalnih feromagneta. Ali do sada nije postojao jednostavan, brz i pouzdan način za promjenu orijentacije ovih magneta kako bi se prebacili s 0 na 1 na uređaju za pohranu podataka.

Istraživači u WITH i drugdje su razvili takvu metodu, način brzog mijenjanja magnetskog polariteta ferimagneta za 180 stupnjeva, koristeći samo mali primijenjeni napon. Otkriće bi moglo uvesti novu eru ferimagnetske logike i uređaja za pohranu podataka, kažu istraživači.

Prebacivanje magnetizacije mreže za 180 stepeni

Ovaj dijagram ilustruje strukturu uređaja dizajniranih za promenu magnetizacije mreže za 180 stepeni primjenom napona. Zasluge: Ljubaznošću istraživača

Nalazi se pojavljuju u časopisu Nanotehnologija prirode, u radu postdoktora Mantaa Huanga, profesora nauke o materijalima i tehnologije Geoffrey Beacha na MIT -u, i profesora nuklearne nauke i tehnologije Bilge Yildiza, zajedno sa 15 drugih na MIT -u i u Minnesoti, Njemačkoj, Španiji i Koreji.

Novi sistem koristi film materijala koji se naziva gadolinijum -kobalt, dio klase materijala poznatih kao ferimagneti od prijelaznih metala rijetkih zemalja. U njemu dva elementa tvore isprepletene rešetke atoma, a atomi gadolinija imaju prednost da su njihove magnetske osi poravnate u jednom smjeru, dok atomi kobalta pokazuju suprotno. Ravnoteža između njih dvoje u sastavu legura određuje ukupnu magnetizaciju materijala.

No, istraživači su otkrili da se pomoću napona za razdvajanje molekula vode duž površine filma na kisik i vodik kisik može otpustiti, dok atomi vodika – točnije njihova jezgra, koji su pojedinačni protoni – mogu duboko prodrijeti u materijal , a to mijenja ravnotežu magnetskih orijentacija. Promjena je dovoljna za promjenu orijentacije neto magnetskog polja za 180 stupnjeva – upravo ona vrsta potpunog preokreta koja je potrebna za uređaje poput magnetskih memorija.

“Otkrili smo da unošenjem vodika u ovu strukturu možemo znatno smanjiti magnetski moment gadolinija”, objašnjava Huang. Magnetski moment je mjera jačine polja koju proizvodi atomPoravnanje osi centrifuge.

Budući da se promjena postiže samo promjenom napona, a ne primijenjenom električnom strujom koja bi uzrokovala zagrijavanje, a time i rasipanje energije rasipanjem topline, ovaj proces je visoko energetski učinkovit, kaže Beach, koji je ko-direktor MIT-ovog istraživanja materijala Laboratory.

Postupak pumpanja jezgri vodika u materijal pokazuje se izuzetno dobroćudnim, kaže on. “Mislili biste da biste, ako uzmete neki materijal i u njega unesete neke druge atome ili ione, to proširili i razbili. Ali ispalo je za ove filmove, a zahvaljujući činjenici da je proton tako mali entitet, može se infiltrirati u veći dio ovog materijala bez izazivanja vrste strukturnog zamora koji dovodi do kvara. ”

Ta stabilnost je dokazana iscrpljujućim testovima. Materijal je podvrgnut promjeni polariteta od 10.000 bez znakova degradacije, kaže Huang.

Materijal ima dodatne osobine koje bi mogle biti korisne, kaže Beach. Magnetsko poravnanje između pojedinačnih atoma u materijalu funkcionira pomalo poput opruga, objašnjava on. Ako se jedan atom počne pomaknuti izvan poravnanja s drugima, ova sila slična opruzi povlači ga unatrag. A kad su objekti povezani oprugama, oni stvaraju valove koji mogu putovati duž materijala. „Za ovaj magnetni materijal to se naziva spin talasima. Dobivate oscilacije magnetizacije u materijalu, a one mogu imati vrlo visoke frekvencije. “

U stvari, oni mogu oscilirati prema gore od terahertz opsega, kaže on, „što ih čini jedinstveno sposobnim za generiranje ili osjetiti vrlo visokofrekventno elektromagnetno zračenje. Ne može mnogo materijala to učiniti. ”

Relativno jednostavne primjene ovog fenomena, u obliku senzora, mogle bi biti moguće u roku od nekoliko godina, kaže Beach, ali će složenije, poput podataka i logičkih kola, potrajati duže, dijelom i zbog toga što je cijelo područje tehnologije bazirane na ferimagnetu relativno novo.

Osnovna metodologija, osim ovih specifičnih vrsta magnetskih aplikacija, mogla bi imati i drugu upotrebu, kaže on. “Ovo je način za kontrolu svojstava unutar najvećeg dijela materijala pomoću električnog polja”, objašnjava on. “To je samo po sebi izvanredno.” Drugi su poslovi obavljeni na kontroli svojstava površine korištenjem napona, ali činjenica da ovaj pristup pumpanja vodika dopušta tako duboke izmjene omogućava „kontrolu širokog raspona svojstava“, kaže on.

“Prekidači s naponskim upravljanjem traženi su kako bi se smanjila potrošnja energije uređaja za centrifugiranje, što je osnovni mehanizam moderne tehnologije silicija”, kaže Hyunsoo Yang, profesor elektrotehnike i računarskog inženjerstva na Nacionalnom univerzitetu u Singapuru, koji nije bio povezan sa ovom studijom. “Ovaj rad je primijenio koncept kontrole napona u ferimagnet za prebacivanje dominantne pod rešetke, što je dovelo do efikasnog zapisa magnetskih bitova”, dodaje on. Ako se potrebni napon može smanjiti i povećati brzina, kaže on, ova nova metoda može “potencijalno revolucionirati polje”.

Referenca: „Kontrola napona ferrimagnetskog poretka i pisanje ferimagnetskih spin tekstura uz pomoć napona“ autora Mantao Huang, Muhammad Usama Hasan, Konstantin Klyukin, Delin Zhang, Deyuan Lyu, Pierluigi Gargiani, Manuel Valvidares, Sara Sheffels, Alexandra Churikova, Felix Büttner, Jonas Zehner, Lucas Caretta, Ki-Young Lee, Joonyeon Chang, Jian-Ping Wang, Karin Leistner, Bilge Yildiz i Geoffrey SD Beach, 29. jula 2021. Nanotehnologija prirode.
DOI: 10.1038 / s41565-021-00940-1

Tim je uključivao istraživače sa Univerziteta u Minnesoti, ALBA sinhrotronski izvor svjetlosti u Barceloni, Španija; Tehnološki univerzitet u Chemnitzu; Leibnitz IFW u Njemačkoj; Korejski institut za nauku i tehnologiju; i Univerziteta Yonsei u Seulu. Rad je podržan od strane Nacionalne naučne fondacije; Agencija za odbrambene napredne istraživačke projekte; Centar za spintronske materijale za napredne informacione tehnologije; Korejski institut za nauku i tehnologiju; nemačka naučna fondacija; Ministarstvo ekonomije i konkurentnosti Španije; i program stipendista Kavanaugh na Odsjeku za nauku o materijalima i inženjerstvo na MIT -u.

.


Izvor: scitechdaily.com


Pratite nas na Facebook-u | Twitter-u | YouTube-u

WPAP (319)