«Наша работа показывает, что 180-градусное переключение намагниченности в мультиферроидном феррите висмута может быть достигнуто при комнатной температуре с помощью внешнего электрического поля, когда кинетика переключения включает двухступенчатый процесс», — говорит Рамамурти Рамеш, заместитель директора лаборатории Berkeley Lab. Energy Technologies, руководивший этим исследованием. «Мы использовали этот многоступенчатый процесс переключения, чтобы продемонстрировать энергоэффективное управление спинтронным устройством».
Рамеш, который также возглавляет кафедру энергетических технологий Пурненду Чаттерджи в Калифорнийском университете в Беркли, является старшим автором статьи, описывающей это исследование в журнале Nature. Работа называется «Детерминированное переключение ферромагнетизма при комнатной температуре с помощью электрического поля». Джон Херон, в настоящее время работающий в Корнельском университете, является ведущим автором и корреспондентом.Мультиферроики — это материалы, в которых могут одновременно сосуществовать уникальные сочетания электрических и магнитных свойств.
Они рассматриваются как потенциальные краеугольные камни будущих устройств хранения и обработки данных, потому что их магнетизм можно контролировать с помощью электрического поля, а не электрического тока, что является явным преимуществом, как объясняет Херон.«Электрические токи, которые используются современными запоминающими устройствами и логическими устройствами для создания магнитного поля, являются основным источником потребления энергии и нагрева в этих устройствах», — говорит он. «Это вызвало значительный интерес к мультиферроикам из-за их способности снижать потребление энергии, а также добавлять функциональность устройствам».Природа, однако, наложила термодинамические барьеры и ограничения симметрии материала, которые, по мнению теоретиков, предотвратят изменение намагниченности в мультиферроике под действием приложенного электрического поля. Более ранняя работа Рамеша и его группы с ферритом висмута, единственным известным термодинамически стабильным мультиферроиком при комнатной температуре, в котором электрическое поле использовалось в качестве переключателя для включения / выключения магнетизма, предполагала, что кинетика процесса переключения может быть способом преодоления эти препятствия не рассматривались ранее в теоретической работе.
«Создание устройств и включение / выключение электрических полей в плоскости в прошлом было естественным продолжением исследования того, что происходит при приложении электрического поля вне плоскости», — говорит Рамеш.Рамеш, Херон и их соавторы провели теоретическое исследование, в котором к пленкам феррита висмута прикладывали электрическое поле, не лежащее в плоскости, то есть оно проходило перпендикулярно ориентации образца. Они обнаружили двухэтапный процесс переключения, основанный на сегнетоэлектрической поляризации и вращении кислородного октаэдра.
«Двухэтапный процесс переключения является ключевым, поскольку он позволяет октаэдрическому вращению взаимодействовать с поляризацией», — говорит Херон. «Вращение кислородного октаэдра также имеет решающее значение, потому что это механизм, ответственный за ферромагнетизм в феррите висмута. Вращение кислородного октаэдра также позволяет нам связывать феррит висмута с хорошим ферромагнетиком, таким как кобальт-железо, для использования в устройстве спинтроники».Чтобы продемонстрировать потенциальную технологическую применимость своей техники, Рамеш, Херон и их соавторы использовали гетероструктуры из феррита висмута и железа кобальта для изготовления спин-клапана, устройства спинтроники, состоящего из немагнитного материала, зажатого между двумя ферромагнетиками, электрическое сопротивление которых можно легко изменить. Изображения, полученные с помощью рентгеновской фотоэмиссионной электронной микроскопии с магнитным круговым дихроизмом (XMCD-PEEM), показали четкую корреляцию между переключением намагниченности и переключением с высокого на низкое электрическое сопротивление в спин-клапане.
Измерения XMCD-PEEM были выполнены в PEEM-3, фотоэмиссионном электронном микроскопе с коррекцией аберраций на канале 11.0.1 усовершенствованного источника света Berkeley Lab.«Мы также продемонстрировали, что использование электрического поля вне плоскости для управления потребляемой энергией спинового клапана примерно на порядок ниже, чем переключение устройства с использованием спин-поляризованного тока», — говорит Рамеш.