與數(shù)字技術(shù)相關(guān)的能源消耗的快速增長(zhǎng)是一項(xiàng)重大的全球挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵問題是降低磁性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備的能耗，例如用于大型數(shù)據(jù)中心。由麻省理工學(xué)院 (MIT) 領(lǐng)導(dǎo)、開姆尼茨理工大學(xué)化學(xué)研究所電化學(xué)傳感器和儲(chǔ)能教授 Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士(前任負(fù)責(zé)人)參與的國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)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(yīng)氫加載到亞鐵磁體中可以實(shí)現(xiàn)180° 磁化反轉(zhuǎn)。

這一結(jié)果具有突出的相關(guān)性，因?yàn)閺幕驹韥?lái)看，純電場(chǎng)進(jìn)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(duì)于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和操作中的應(yīng)用，180° 磁化切換至關(guān)重要，因?yàn)閱蝹€(gè)位中的磁化通常與 180° 相反。因此，這項(xiàng)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(chǔ)的全球功耗。

除了麻省理工學(xué)院和開姆尼茨理工大學(xué)的參與者外，研究團(tuán)隊(duì)還包括來(lái)自明尼蘇達(dá)大學(xué)、韓國(guó)科學(xué)技術(shù)研究院和巴塞羅那ALBA同步加速器的科學(xué)家。麻省理工學(xué)院的材料科學(xué)家 Mantao Huang 博士和 Geoffrey Beach 教授領(lǐng)導(dǎo)了氫基磁離子器件和自旋電子學(xué)方面的專家。

結(jié)果發(fā)表在著名期刊《自然納米技術(shù)》上。

新的方法

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

作為電壓感應(yīng)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(jí)的亞晶格磁化。凈磁化產(chǎn)生于亞晶格貢獻(xiàn)的添加。與傳統(tǒng)使用的鐵磁體相比，鐵磁體還具有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈冊(cè)试S例如快速自旋??動(dòng)力學(xué)。

對(duì)于亞鐵磁釓鈷 (GdCo)，研究人員可以證明相對(duì)亞晶格磁化可以通過電壓誘導(dǎo)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?xùn)艠O電壓，質(zhì)子被驅(qū)動(dòng)到底部電極并導(dǎo)致 Pd/GdCo 層的氫化。將氫引入 GdCo 晶格會(huì)導(dǎo)致 Gd 的亞晶格磁化強(qiáng)度比 Co 更強(qiáng)。這種所謂的磁離子效應(yīng)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(lái)證明，并且是所證明的磁化切換的基礎(chǔ)。

為了在沒有外部磁場(chǎng)的情況下實(shí)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(duì) GdCo/Pd/GdOx 層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了功能化。在這里，他們從所謂的“交換偏見”效應(yīng)中獲利。當(dāng)亞鐵磁層或鐵磁層與反鐵磁層接觸時(shí)會(huì)發(fā)生這種效應(yīng)。它基于界面磁自旋的耦合，并導(dǎo)致鐵/亞鐵磁體磁化方向的釘扎。例如，在硬盤驅(qū)動(dòng)器的讀取磁頭中的磁傳感器中使用交換偏置效應(yīng)來(lái)固定參考層的磁化方向。對(duì)于鐵磁 GdCo，與反鐵磁 NiO 的接觸導(dǎo)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(biāo)志著純電場(chǎng)控制的磁化反轉(zhuǎn)，無(wú)需磁場(chǎng)的幫助。

Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士帶來(lái)了他們?cè)诖烹x子控制轉(zhuǎn)移到交換偏置系統(tǒng)方面的專業(yè)知識(shí)。“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(xué)位期間 在 IFW Dresden 的 Karin Leistner 研究小組期間，Jonas Zehner 抓住機(jī)會(huì)在麻省理工學(xué)院的 Beach 教授小組進(jìn)行了為期六個(gè)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(lái)。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(yīng)裝置測(cè)量的。通過這些實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn) GdCo 和 NiO 之間的超薄 Pd 層對(duì)于穩(wěn)定交換偏置效應(yīng)至關(guān)重要。

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