虽然现代计算机已经非常快了，但它们也消耗大量的电力。几年来，一项新技术一直被人们谈论，尽管它还处于起步阶段，但有一天它可能会彻底改变计算机技术——自旋电子学。这个词是“自旋”和“电子”的合成词，因为有了这些成分，电子不再流经计算机芯片，但电子的自旋充当了信息载体。来自法兰克福歌德大学的一组研究人员现在发现了具有自旋电子学惊人的快速特性的材料。研究结果发表在专业杂志《自然材料》上。
法兰克福歌德大学实验物理教授Cornelius Krellner说:“你必须把电子的自旋想象成微小的磁针，它们附着在晶格原子上，彼此交流。”这些磁针如何相互作用基本上取决于材料的性质。迄今为止，铁磁材料主要是在自旋电子学中进行研究的;使用这些材料——类似于铁磁——磁性针倾向于指向一个方向。然而，近年来，研究的重点更多地放在了所谓的反铁磁体上，因为据说这些材料比其他自旋电子材料具有更快、更有效的可切换性。
对于反铁磁体，相邻的磁针总是指向相反的方向。如果原子磁针被推向一个方向，相邻的磁针就会转向相反的方向。这反过来又会导致下一个相邻的指针再次指向与第一根指针相同的方向。Krellner解释说:“由于这种相互作用发生得非常快，而且几乎没有摩擦损失，它为全新形式的电子元件提供了相当大的潜力。”
最重要的是，含有稀土原子的晶体被认为是自旋电子学的有趣候选者，因为这些相对较重的原子具有较强的磁矩——化学家称电子的相应状态为4f轨道。在稀土金属中——其中一些既不稀有也不昂贵——有镨和钕等元素，它们也用于磁体技术。该研究小组现在已经研究了七种稀土原子总数不同的材料，从镨到钬。
自旋电子材料发展的问题在于，这种元件需要完美设计的晶体，因为最小的误差会立即对材料的整体磁序产生负面影响。这就是法兰克福的专业知识发挥作用的地方。Krellner说:“稀土在1000摄氏度左右融化，但是晶体所需的铑直到2000摄氏度左右才会融化。”“这就是为什么传统的结晶方法在这里不起作用的原因。”
相反，科学家们使用热铟作为溶剂。稀土，以及所需的铑和硅，在大约1500摄氏度的温度下溶解。石墨坩埚在这个温度下保持大约一周，然后轻轻冷却。结果，所需的晶体以边缘长度为2至3毫米的薄圆盘的形式生长。然后，该团队利用柏林同步加速器BESSY II和瑞士保罗谢勒研究所的瑞士光源产生的x射线进行了研究。
Krellner说:“最重要的发现是，在我们培养的晶体中，稀土原子相互之间的磁性反应非常快，而且这些反应的强度可以通过选择原子来具体调整。”这为进一步优化开辟了道路——最终自旋电子学仍是纯粹的基础研究，距离商业化组件的生产还有很多年的时间。
然而，在走向市场成熟的道路上，还有很多问题需要解决。因此，这种在高温下产生的晶体只有在低于零下170摄氏度的温度下才具有令人信服的磁性。Krellner说:“我们怀疑通过添加铁原子或类似的元素可以显著提高操作温度。”“但它的磁特性是否同样积极，还有待观察。”然而，多亏了这些新结果，研究人员现在对改变参数的意义有了更好的了解。
出版:Y. W. Windsor, s.e。Lee, D. Zahn, V. Borisov, D. Thonig, K. Kliemt, A. Ernst, C. Schüßler-Langeheine, N. Pontius, U. Staub, C. Krellner, D. V. Vyalikh, O. Eriksson, L. Rettig: 4f反铁磁体中超快角动量转移的交换缩放。《自然材料》(2022)https://www.nature.com/articles/s41563-022-01206-4
进一步的信息:
科尼利厄斯·科雷尔纳教授
晶体与材料实验室
物理研究所
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