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Intel Core i5 9400F  CREDIT Christian Wiediger, @christianw; Unsplash
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Scientists of the School of Natural Sciences of Far Eastern Federal University (SNS FEFU) with colleagues from Russia, South Korea, and Australia suggest the breaking new ground approach to manage spin-electronic properties and functionality of the thin-film magnetic nanosystems. The method is important for the development of a new generation of tiny electronics (spin-orbitronics) and superfast high-capacity computer memory. A related article appears in NPG Asia Materials.

费芙科学家们正在为未来的小电子产品和小工具铺平了道路

符拉迪沃斯托克,俄罗斯|发表于2020年8月28日

来自SNS的费芙实验室薄膜技术科学家提出通过夹在重金属和覆盖层之间的磁性膜的表面粗糙度以控制磁性纳米系统的功能性。调制在磁性膜的底表面和顶表面(界面)的粗糙度振幅在小于一纳米,大约是原子的大小的范围内,研究人员已经最大化有用自旋电子效应对电子设备的操作是重要的。他们还发现,粗糙度磁膜的底部和上部接口应相关。

该方法的效力第一演示了由钯与厚度范围从覆盖有2 nm厚的铂(Pt)层和一个0至12纳米(nm)(Pd)的层的磁系统的示例1.5 nm厚的铁磁体(CoFeSiB合金)。该多层结构被覆盖有氧化镁的层(氧化镁),钽(Ta)或钌(Ru),由于不同的覆盖材料被扩大用于操纵纳米系统的磁特性的可能性。

“在当代电子,晶体管不断得到缩小,随着的是,总的发展趋势是,获得原子级的平滑,无缺陷的表面”,解释了亚历山大Samardak,研究思路的作者,费芙副总裁的研究,“不过,这将是一个很大的错误,争取理想的接口,因为很多新的和实践有趣的物理效应躺在外面的原子有序和理想的平坦表面。随着电子功能元件的永久小型化,表面粗糙度的作用是暴涨,主要是由于高度敏感的分析设备的发展,只是现在我们已经开始揭示的发现现象的本质,了解在界面粗糙度和原子混合的作用。我们的研究的主要信息是,原子粗糙度服务执行的性能得到改善的”新的派生orbitronic设备的好处。

科学家解释说,物理学的新领域,即自旋orbitronics,一直积极在世界在过去的五年中发展。它研究不仅仅是电子的自旋(这是一个量子性质,并且不与相关联的运动(位移或电子作为整体的旋转)的电子的固有角动量,但自旋 - 轨道相互作用,这电子轨道围绕原子核和诱导的磁场之间发生交互作用,并且它自己的磁矩由电子自旋空调。

The advantage of spin-orbitronics is that the functionality of such devices (for example, magnetic memory) is provided directly through the control of the spin-orbit interaction in their constituent nanomaterials, for example, in heavy metals.

Heavy metals of the platinum group (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) have a fairly strong spin-orbit interaction. If bring one of these metals into contact with an ultrathin, several-atomic-layers-thick magnetic film (for example, Co, Ni, Fe, Py or their alloys), the electronic and magnetic properties of the system will be radically changed.

“首先,它可以管理磁化,并准备垂直磁化的薄膜的平面纳米系统,这是它在现代的硬盘驱动器和欠发展新的电子运营商如何实现的,以增加信息存储的密度,加快数据写入/读出,并增加重写周期。其次,在重金属引线强的自旋 - 轨道相互作用所涉及的磁性材料(膜)的原子的电子轨道的“变形”的数目的速度,这导致自旋效果,如磁性阻尼和出现在重金属和磁性层之间的界面的界面Dzyaloshinsky-Moriya相互作用,这反对称交换相互作用导致铁磁顺序和非平凡自旋纹理如skyrmions和skyrmioniums的外观的转化。这种旋纹理有在不久的将来的电子产品的巨大潜力,打的非易失性信息的作用息载体。例如,它们的基础上,可以使计算机存储器组件,将与没有磁头,其中位将被移动,并且由于电子自旋的操作切换由电流脉冲工作。这种设备应在位进行操作的移动速率高达每秒感谢几个公里仅电流和将存储幅度更大,因为微小旋转的纹理数据的顺序,”亚历山大说Samardak。

For the experiment, researchers grew a series of palladium films with an ideal single crystal structure (Figure 1 (a)) using molecular-beam epitaxy. Since the Pd grows as three-dimensional islands, the authors have found that the rough surface of Pd films can be described via a sinusoidal function. Varying the thickness of the Pd films in the range from 0 to 12.6 nm, they managed to control the amplitude and period of roughness in the range from 0 to 2 nm and from 0 to 50 nm, correspondingly. After that, the surface of palladium was coated by thin films of platinum and a magnetic alloy (Pt (2 nm) / CoFeSiB (1.5 nm)) using magnetron sputtering in a vacuum. The system was capped with different variants of materials such as magnesium oxide, tantalum, ruthenium, Fig. 1 (b). The capping material influenced the magnetic anisotropy strongly, while the influence on the Dzyaloshinsky-Moriya interaction was not so significant. In this case, the deposited Pt and CoFeSiB layers repeated the morphology of the Pd surface.

As a result, researchers found out that with no change in the composition of the magnetic system, only via modulating the surface roughness in the sub-nanometer range by varying the thickness of the Pd layer, it is possible to change its functional properties dramatically. For example, the magnitude of the Dzyaloshinsky-Moriya interaction increased 2.5 times when the Pd layer was 10 nm thick. At this thickness the roughness of the bottom and top interfaces of the magnetic film maximally correlated to each other.

据亚历山大Samardak,四年左右是必要的,进行研究和一年以上发表文章自然组的权威杂志。长期以来,评价员无法相信通过调节界面粗糙度控制自旋 - 轨道性质的可能性。在信件中,作者成功地说服评审和捍卫他们的方法。

在目前,科学家们正在准备新的磁样本来研究粗糙界面如何影响自旋霍尔effectand自旋 - 轨道扭矩。这些未来的发现将有可能密切得到存储单元,其磁矩仅由电流切换的实现。

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为自旋电子学和生物医学的工作0657-2020-0013科学和高等教育部俄罗斯联邦的国家任务号的框架内开展了“多功能磁性纳米结构:合成,结构,磁性,磁光盘和输运性质“。

费芙科学家运行所需的诸如过渡到未来的技术,新材料的不同的优先领域,包括基础研究和实践发展。

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联系方式:
Alexander Zverev

Copyright © Far Eastern Federal University

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