Khám phá công nghệ tiết kiệm năng lượng: Điều khiển sắt từ bằng điện áp

Một nhóm nghiên cứu quốc tế gồm Giáo sư Karin Leistner, Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ và Tiến sĩ Jonas Zehner, Viện Hóa học thuộc Đại học Công nghệ Chemnitz, Đức  đã chứng minh sự đảo ngược từ hóa 180° bằng cách tải hydro cảm ứng điện áp vào các sắt từ.

Trong phương tiện lưu trữ dữ liệu từ tính, chẳng hạn như ổ đĩa cứng hoặc MRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính), thông tin được lưu trữ thông qua sự sắp xếp cụ thể của từ hóa trong các khu vực cực nhỏ. Chiều của từ hóa thường được điều chỉnh bằng dòng điện hoặc từ trường cục bộ –các từ trường này cũng được tạo ra bởi dòng điện trong vi cuộn. Trong cả hai trường hợp, dòng điện dẫn đến tổn thất năng lượng do hiệu ứng Joule. Do đó, việc kiểm soát từ hóa bằng điện trường là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để giảm tiêu thụ năng lượng của các công nghệ dữ liệu từ trường. Tuy nhiên, cho đến nay, việc điều khiển điện trường từ hóa đòi hỏi điện áp cao hoặc bị hạn chế ở nhiệt độ thấp.

Đối với gadolinium-coban sắt từ (GdCo), các nhà nghiên cứu có thể chứng minh rằng các từ hóa mạng con tương đối có thể đảo ngược chuyển đổi bằng cách tải / dỡ hydro do điện áp gây ra. Để làm được điều này, GdCo được kết hợp với một lớp gadolinium oxide (GdOx) làm chất điện phân ở trạng thái rắn và một lớp xen kẽ paladi (Pd). Bằng cách áp dụng một điện áp cổng xuyên qua cấu trúc, các proton được dẫn đến điện cực dưới cùng và dẫn đến quá trình hydro hóa lớp Pd / GdCo. Việc đưa hydro vào mạng tinh thể GdCo dẫn đến sự giảm từ hóa mạng con của Gd mạnh hơn của Co. Hiệu ứng ion từ được gọi là ổn định trong hơn 10 000 chu kỳ. Nó có thể được chứng minh bằng quang phổ lưỡng sắc từ tính tròn tia X (XMCD) dành riêng cho nguyên tố và là nền tảng của chuyển mạch từ hóa đã được chứng minh.

Để đạt được sự đảo ngược từ hóa 180 ° mà không có từ trường bên ngoài, các nhà nghiên cứu đã chức năng hóa cấu trúc lớp GdCo / Pd / GdOx với một lớp niken oxit chống sắt từ (NiO) bổ sung. Ở đây, họ thu được lợi nhuận từ cái gọi là hiệu ứng "Exchange Bias". Hiệu ứng này xảy ra khi các lớp sắt từ hoặc sắt từ tiếp xúc với một lớp phản sắt từ. Nó dựa trên sự ghép nối của các spin từ giao diện và dẫn đến việc ghim hướng từ hóa của ferro / ferrimagnet. Hiệu ứng phân cực trao đổi được sử dụng, ví dụ, trong cảm biến từ tính trong đầu đọc của ổ đĩa cứng để ghim hướng từ hóa của lớp tham chiếu. Đối với GdCo sắt từ, sự tiếp xúc với NiO phản sắt từ dẫn đến sự định hướng của các từ hóa mạng con. Trong trường hợp này, trong quá trình chuyển đổi ion từ, độ từ hóa thuần chuyển 180 °. Điều này cho thấy, lần đầu tiên, một sự đảo ngược từ hóa được điều khiển hoàn toàn bằng điện trường mà không có sự hỗ trợ của từ trường.

Nhóm nghiên cứu của Giáo sư Karin Leistner và Giáo sư Jonas Zehner đã khởi xướng và tối ưu hóa cấu trúc lớp phân cực trao đổi cần thiết cho sự đảo ngược từ hóa 180 °. Để làm được điều này, lần đầu tiên ông kết hợp hệ thống mô hình ion từ tính Co / GdOx với NiO phản sắt từ. Ông đã chuẩn bị các hệ thống màng mỏng bằng phún xạ magnetron và phân tích ảnh hưởng của độ dày, thành phần và trình tự lớp đối với sự sai lệch trao đổi kết quả và kiểm soát ion từ. Các đặc tính từ tính trong quá trình tải hydro được đo bằng thiết lập Hiệu ứng Kerr từ quang-quang học được chế tạo tại nhà. Với những thí nghiệm này, ông đã phát hiện ra rằng một lớp Pd siêu mỏng giữa GdCo và NiO là vô cùng quan trọng để ổn định hiệu ứng sai lệch trao đổi.