與數(shù)字技術相關的能源消耗的快速增長是一項重大的全球挑戰(zhàn)。一個關鍵問題是降低磁性數(shù)據(jù)存儲設備的能耗，例如用于大型數(shù)據(jù)中心。由麻省理工學院 (MIT) 領導、開姆尼茨理工大學化學研究所電化學傳感器和儲能教授 Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士(前任負責人)參與的國際研究團隊萊布尼茨固態(tài)和材料研究所 (IFW) 德累斯頓的磁離子和納米電沉積研究小組現(xiàn)在證明了通過電壓感應氫加載到亞鐵磁體中可以實現(xiàn)180° 磁化反轉(zhuǎn)。

這一結(jié)果具有突出的相關性，因為從基本原理來看，純電場進行 180° 磁化反轉(zhuǎn)本質(zhì)上是困難的，但它有望大幅降低磁化轉(zhuǎn)換的能耗。對于數(shù)據(jù)存儲和操作中的應用，180° 磁化切換至關重要，因為單個位中的磁化通常與 180° 相反。因此，這項研究的結(jié)果有可能開辟一條途徑，以顯著降低數(shù)據(jù)存儲的全球功耗。

除了麻省理工學院和開姆尼茨理工大學的參與者外，研究團隊還包括來自明尼蘇達大學、韓國科學技術研究院和巴塞羅那ALBA同步加速器的科學家。麻省理工學院的材料科學家 Mantao Huang 博士和 Geoffrey Beach 教授領導了氫基磁離子器件和自旋電子學方面的專家。

結(jié)果發(fā)表在著名期刊《自然納米技術》上。

新的方法

在磁性數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)中，例如硬盤驅(qū)動器或 MRAM(磁性隨機存取存儲器)，信息是通過微觀區(qū)域中特定的磁化排列來存儲的。磁化方向通常由電流或局部磁場調(diào)節(jié)——這些磁場也由微線圈中的電流產(chǎn)生。在這兩種情況下，電流都會因焦耳熱而導致能量損失。因此，通過電場控制磁化強度是降低磁數(shù)據(jù)技術能耗的一種很有前景的方法。然而，到目前為止，磁化的電場控制需要高電壓或僅限于低溫。

作為電壓感應磁化切換的一種新方法，研究小組利用了亞鐵磁體的特定特性。鐵磁體提供多亞晶格配置，具有彼此相反的不同量級的亞晶格磁化。凈磁化產(chǎn)生于亞晶格貢獻的添加。與傳統(tǒng)使用的鐵磁體相比，鐵磁體還具有技術優(yōu)勢，因為它們允許例如快速自旋??動力學。

對于亞鐵磁釓鈷 (GdCo)，研究人員可以證明相對亞晶格磁化可以通過電壓誘導的氫加載/卸載可逆地切換。為此，GdCo 與固態(tài)氧化釓 (GdOx) 層結(jié)合電解質(zhì)和鈀 (Pd) 夾層。通過在結(jié)構(gòu)上施加柵極電壓，質(zhì)子被驅(qū)動到底部電極并導致 Pd/GdCo 層的氫化。將氫引入 GdCo 晶格會導致 Gd 的亞晶格磁化強度比 Co 更強。這種所謂的磁離子效應在超過 10 000 次循環(huán)后是穩(wěn)定的。它可以通過元素特定的 X 射線磁圓二色性 (XMCD) 光譜來證明，并且是所證明的磁化切換的基礎。

為了在沒有外部磁場的情況下實現(xiàn) 180° 磁化反轉(zhuǎn)，研究人員使用額外的反鐵磁氧化鎳 (NiO) 層對 GdCo/Pd/GdOx 層結(jié)構(gòu)進行了功能化。在這里，他們從所謂的“交換偏見”效應中獲利。當亞鐵磁層或鐵磁層與反鐵磁層接觸時會發(fā)生這種效應。它基于界面磁自旋的耦合，并導致鐵/亞鐵磁體磁化方向的釘扎。例如，在硬盤驅(qū)動器的讀取磁頭中的磁傳感器中使用交換偏置效應來固定參考層的磁化方向。對于鐵磁 GdCo，與反鐵磁 NiO 的接觸導致亞晶格磁化方向的釘扎。在這種情況下，在磁離子切換過程中，凈磁化轉(zhuǎn)換 180°。這第一次標志著純電場控制的磁化反轉(zhuǎn)，無需磁場的幫助。

Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士帶來了他們在磁離子控制轉(zhuǎn)移到交換偏置系統(tǒng)方面的專業(yè)知識。“我的小組深入研究了磁離子系統(tǒng)與反鐵磁層的組合，我們現(xiàn)在是交換偏壓的磁離子控制方面的專家，”Karin Leistner 教授解釋說。在他攻讀博士學位期間 在 IFW Dresden 的 Karin Leistner 研究小組期間，Jonas Zehner 抓住機會在麻省理工學院的 Beach 教授小組進行了為期六個月的研究。在本次研究期間，Jonas Zehner 與 Karin Leistner 教授和 Geoffrey Beach 教授一起發(fā)起并優(yōu)化了 180° 磁化反轉(zhuǎn)所需的交換偏置層結(jié)構(gòu)。為此，他首先將磁離子模型系統(tǒng) Co/GdOx 與反鐵磁 NiO 結(jié)合起來。他通過磁控濺射制備了薄膜系統(tǒng)，并分析了厚度、成分和層序?qū)粨Q偏壓和磁離子控制的影響。氫加載過程中的磁性是用自制的磁光克爾效應裝置測量的。通過這些實驗，他發(fā)現(xiàn) GdCo 和 NiO 之間的超薄 Pd 層對于穩(wěn)定交換偏置效應至關重要。

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