Eine Struktur auf Basis von Platin und Yttrium-Eisen-Granat erzeugt einen neuen Magnetowiderstandseffekt

Abbildungen, die die YIG/NiO/YIG/Pt-Heterostruktur und den MNSMR-Effekt zeigen. Quelle: Guo et al.

In den letzten Jahren haben mehrere Forschungsteams weltweit versucht, eine neue Klasse von Geräten zu entwickeln, die als Spintronik oder Spintransportelektronik bekannt ist. Diese Geräte können Daten mithilfe des Spins von Elektronen in bestimmten Materialien kodieren, speichern, verarbeiten und übertragen.

Der Betrieb der Spintronik beruht auf Magneto-Transport-Effekten, wie dem Riesenmagnetowiderstand (GMR) und dem Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), die den Transport von Elektronen durch ein gegebenes Material in Form eines Magnetfelds ermöglichen. Eine Spintronikvorrichtung besteht im Allgemeinen aus zwei leitenden ferromagnetischen Schichten, die durch eine nichtmagnetische Metallschicht (dh ein Spinventil) oder eine Isolatorschicht (dh einen magnetischen Tunnelübergang) getrennt sind.

Magnetotransporteffekte, die in den Spinventilen und magnetischen Tunnelübergängen einer Vorrichtung auftreten, führen zu einem relativ niedrigen Widerstand, wenn die beiden magnetischen Schichten parallel sind, und zu einem relativ hohen Widerstandszustand, wenn dies nicht der Fall ist. Diese Effekte sind entscheidend für das Funktionieren vieler moderner Speichergeräte, einschließlich Festplattenlaufwerke und magnetischer Speicher mit wahlfreiem Zugriff (MRAMs).

Forscher der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Peking haben kürzlich eine Studie zur Untersuchung des Magnetowiderstands in spintronischen Geräten durchgeführt, die aus zwei Platinschichten, einem Magnon-Übergang und zwei isolierenden magnetischen Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Schichten bestehen, die durch eine antiferromagnetische Nickeloxidschicht getrennt sind. Ihr Papier, veröffentlicht in Naturelektronik, skizziert einen in diesem System auftretenden Magnetowiderstandseffekt, der genutzt werden könnte, um neue spintronische Bauelemente zu entwickeln.

„Wir berichten über einen Magnetowiderstandseffekt, der in einer Platinschicht auftritt, die auf einem Magnon-Übergang abgeschieden wird, der aus zwei isolierenden magnetischen Yttrium-Eisen-Granat-(YIG)-Schichten besteht, die durch eine antiferromagnetische Nickeloxid-Abstandsschicht getrennt sind“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit.

Im Wesentlichen fanden die Forscher heraus, dass der Widerstand der Platinschicht in ihrem System von der Magnetisierung der YIG-Schicht abhängt, mit der sie direkt in Kontakt steht, ein Effekt, der als Spin-Hall-Magnetowiderstand bekannt ist. Sie hängt jedoch auch von der Magnetisierung des angrenzenden YIG innerhalb des Übergangs ab.

„Der Widerstand der Platinschicht ist höher, wenn die beiden YIG-Schichten antiparallel sind als wenn sie parallel sind“, schreiben die Forscher in ihrer Arbeit. “Wir schreiben dieses Verhalten einem magnonischen nichtlokalen Spin-Hall-Magnetowiderstand zu, bei dem die Ausbreitung von spintragendem Magnon über den Übergang die Spinakkumulation an der Metallgrenzfläche beeinflusst und somit den Spin-Hall-Magnetowiderstand moduliert.”

Der von diesem Forscherteam enthüllte neuartige Magnetowiderstandseffekt könnte sich für die Entwicklung spintronischer Bauelemente als sehr wertvoll erweisen. Tatsächlich könnte es die Herstellung von Vorrichtungen mit ähnlichen Fähigkeiten wie Systemen ermöglichen, in denen TMR- und GMR-Effekte auftreten, in denen jedoch die Spintransporteigenschaften durch einen vollständig isolierenden Magnonenübergang kontrolliert werden. Diese einzigartige Qualität würde die Geräte letztendlich von Joule-Heizeffekten befreien.

Joule-Erwärmung ist ein Prozess, der stattfindet, wenn der elektrische Strom, der durch ein leitendes Material fließt, Wärme erzeugt, die die Gesamtenergieeffizienz eines Geräts beeinflusst. Geräte, die frei vom Joule-Heizeffekt sind, könnten somit deutlich höhere Energieeffizienzen erreichen als die davon betroffenen.


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