Now trilingual FR-English-NL- our UNIQUE BRAND a high performance analytical program A.B.N.system © welcome to all. 

MIT Physicists discover ..

11/05/21-FR bas de page

MIT-natuurkundigen ontdekken een nieuwe manier om antiferromagnetisme in en uit te schakelen

Ferroelectricitygraphic 1

Wanneer u een afbeelding op uw smartphone opslaat, worden die gegevens geschreven op kleine transistors die elektrisch in- of uitgeschakeld worden in een patroon van "bits" om die afbeelding weer te geven en te coderen. De meeste transistors zijn tegenwoordig gemaakt van silicium, een element dat wetenschappers op steeds kleinere schaal hebben weten om te schakelen, waardoor miljarden bits, en dus grote bibliotheken met afbeeldingen en andere bestanden, op een enkele geheugenchip kunnen worden verpakt.

Maar de groeiende vraag naar gegevens en de middelen om ze op te slaan, zet wetenschappers ertoe aan om verder te zoeken dan silicium naar materialen die geheugenapparaten naar hogere dichtheden, snelheden en veiligheid kunnen duwen.

MIT-fysici hebben nu voorlopig bewijs geleverd dat gegevens kunnen worden opgeslagen als snellere, dichtere en veiligere bits gemaakt van antiferromagneten.

Antiferromagnetische of AFM-materialen zijn de minder bekende verwanten van ferromagneten of conventionele magnetische materialen. Waar de elektronen in ferromagneten synchroon draaien - een eigenschap waardoor een kompasnaald naar het noorden kan wijzen en collectief het magnetische veld van de aarde volgt - geven elektronen in een antiferromagneet de voorkeur aan de tegenovergestelde spin boven hun buurman, in een 'antialignment' die magnetisatie effectief onderdrukt, zelfs bij de kleinste schalen.

De afwezigheid van netto magnetisatie in een antiferromagneet maakt deze ongevoelig voor elk extern magnetisch veld. Als ze tot geheugenapparaten zouden worden gemaakt, zouden antiferromagnetische bits alle gecodeerde gegevens kunnen beschermen tegen magnetische verwijdering. Ze kunnen ook worden gemaakt in kleinere transistors en in grotere aantallen per chip worden verpakt dan traditioneel silicium.

Nu heeft het MIT-team ontdekt dat door extra elektronen te doperen in een antiferromagnetisch materiaal, ze de collectieve antialigned-opstelling op een controleerbare manier kunnen in- en uitschakelen. Ze ontdekten dat deze magnetische overgang omkeerbaar is en voldoende scherp, vergelijkbaar met het omschakelen van de toestand van een transistor van 0 naar 1. De resultaten, die vandaag in Physical Review Letters zijn gepubliceerd, demonstreren een mogelijk nieuw pad om antiferromagneten als digitale schakelaar te gebruiken.

"Een AFM-geheugen zou het mogelijk kunnen maken de gegevensopslagcapaciteit van huidige apparaten op te schalen - hetzelfde volume, maar meer gegevens", zegt hoofdauteur Riccardo Comin, assistent-professor natuurkunde aan het MIT.

MIT-co-auteurs van Comin zijn onder meer hoofdauteur en afgestudeerde student Jiarui Li, samen met Zhihai Zhu, Grace Zhang en Da Zhou; evenals Roberg Green van de Universiteit van Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun en Shriram Ramanathan van Purdue University; Ronny Sutarto en Feizhou He van Canadese lichtbron; en Jerzy Sadowski bij Brookhaven National Laboratory.
Magnetisch geheugen

Om de gegevensopslag te verbeteren, kijken sommige onderzoekers naar MRAM, of magnetoresistive RAM, een type geheugensysteem dat gegevens opslaat als bits gemaakt van conventionele magnetische materialen. In principe zou een MRAM-apparaat een patroon krijgen met miljarden magnetische bits. Om gegevens te coderen, wordt de richting van een lokaal magnetisch domein binnen het apparaat omgedraaid, vergelijkbaar met het schakelen van een transistor van 0 naar 1.

MRAM-systemen kunnen mogelijk gegevens sneller lezen en schrijven dan op silicium gebaseerde apparaten en kunnen met minder stroom werken. Maar ze kunnen ook kwetsbaar zijn voor externe magnetische velden.

"Het systeem als geheel volgt een magnetisch veld zoals een zonnebloem de zon volgt. Daarom wordt de informatie volledig gewist als je een magnetisch gegevensopslagapparaat in een gematigd magnetisch veld plaatst", zegt Comin.

Antiferromagneten worden daarentegen niet beïnvloed door externe velden en kunnen daarom een ??veiliger alternatief zijn voor MRAM-ontwerpen. Een essentiële stap naar codeerbare AFM-bits is de mogelijkheid om antiferromagnetisme in en uit te schakelen. Onderzoekers hebben verschillende manieren gevonden om dit te bereiken, meestal door elektrische stroom te gebruiken om een ??materiaal om te schakelen van zijn ordelijke antialignment naar een willekeurige wanorde van spins.

"Met deze benaderingen gaat het overschakelen erg snel", zegt Li. “Maar het nadeel is dat elke keer dat je stroom nodig hebt om te lezen of te schrijven, dat veel energie per bewerking kost. Als dingen heel klein worden, zijn de energie en warmte die worden gegenereerd door lopende stromingen aanzienlijk. "

Gedopeerde aandoening

Comin en zijn collega's vroegen zich af of ze op een efficiëntere manier antiferromagnetisch schakelen konden bereiken. In hun nieuwe studie werken ze met neodymiumnikkelaat, een antiferromagnetisch oxide dat wordt gekweekt in het Ramanathan-lab. Dit materiaal vertoont nanodomeinen die bestaan ??uit nikkelatomen met een tegengestelde spin aan die van zijn buurman, en bij elkaar gehouden door zuurstof- en neodymiumatomen. De onderzoekers hadden eerder de fractale eigenschappen van het materiaal in kaart gebracht.

Sindsdien hebben de onderzoekers gekeken of ze het antiferromagnetisme van het materiaal konden manipuleren via doping - een proces dat opzettelijk onzuiverheden in een materiaal introduceert om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen. In hun geval doopten de onderzoekers neodymium-nikkeloxide door het materiaal van zijn zuurstofatomen te strippen.

Wanneer een zuurstofatoom wordt verwijderd, laat het twee elektronen achter, die worden herverdeeld over de andere nikkel- en zuurstofatomen. De onderzoekers vroegen zich af of het verwijderen van veel zuurstofatomen zou resulteren in een domino-effect van wanorde dat de ordelijke antialignment van het materiaal zou uitschakelen.

Om hun theorie te testen, groeiden ze 100 nanometer dunne films van neodymium-nikkeloxide en plaatsten ze in een zuurstofarme kamer, en verwarmden de monsters vervolgens tot temperaturen van 400 graden Celsius om zuurstof aan te moedigen uit de films te ontsnappen en in de atmosfeer van de kamer te komen. .

Naarmate ze steeds meer zuurstof verwijderden, bestudeerden ze de films met behulp van geavanceerde magnetische röntgenkristallografietechnieken om te bepalen of de magnetische structuur van het materiaal intact was, wat impliceert dat de atomaire spins in hun geordende antialignment bleven en daarom antiferomagnetisme behielden. Als hun gegevens een gebrek aan een geordende magnetische structuur vertoonden, zou dit een bewijs zijn dat het antiferromagnetisme van het materiaal was uitgeschakeld vanwege voldoende doping.

Door hun experimenten waren de onderzoekers in staat om het antiferromagnetisme van het materiaal uit te schakelen bij een bepaalde kritische dopingdrempel. Ze kunnen ook het antiferromagnetisme herstellen door weer zuurstof aan het materiaal toe te voegen.

Nu het team heeft aangetoond dat doping de AFM effectief in- en uitschakelt, kunnen wetenschappers meer praktische manieren gebruiken om soortgelijke materialen te verdoven. Transistors op siliciumbasis worden bijvoorbeeld geschakeld met behulp van spanningsgeactiveerde "poorten", waarbij een kleine spanning op een bit wordt toegepast om de elektrische geleidbaarheid ervan te veranderen. Comin zegt dat antiferromagnetische bits ook kunnen worden geschakeld met behulp van geschikte spanningspoorten, die minder energie nodig hebben dan andere antiferromagnetische schakeltechnieken.

"Dit zou een kans kunnen zijn om een ??magnetisch geheugenopslagapparaat te ontwikkelen dat op dezelfde manier werkt als op silicium gebaseerde chips, met als bijkomend voordeel dat je informatie kunt opslaan in AFM-domeinen die zeer robuust zijn en met hoge dichtheid kunnen worden verpakt", zegt Comin. "Dat is de sleutel tot het aangaan van de uitdagingen van een datagestuurde wereld."

Dit onderzoek werd gedeeltelijk ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research Young Investigator Program en de Natural Sciences and Engineering Research Council van Canada. Dit onderzoek maakte gebruik van middelen van het Center for Functional Nanomaterials en National Synchrotron Light Source II, beide US Department of Energy Office of Science User Facilities in Brookhaven National Laboratory.
info MIT

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

11/05/21

Les physiciens du MIT découvrent une nouvelle façon d'activer et de désactiver l'antiferromagnétisme

Ferroelectricitygraphic 1

Lorsque vous enregistrez une image sur votre smartphone, ces données sont écrites sur de minuscules transistors qui sont activés ou désactivés électriquement selon un modèle de «bits» pour représenter et encoder cette image. La plupart des transistors actuels sont fabriqués à partir de silicium, un élément que les scientifiques ont réussi à basculer à des échelles de plus en plus petites, permettant de regrouper des milliards de bits, et donc de grandes bibliothèques d'images et d'autres fichiers, sur une seule puce mémoire.

Mais la demande croissante de données et les moyens de les stocker poussent les scientifiques à rechercher au-delà du silicium des matériaux capables de pousser les dispositifs de mémoire vers des densités, des vitesses et une sécurité plus élevées.

Maintenant, les physiciens du MIT ont montré des preuves préliminaires que les données pourraient être stockées sous forme de bits plus rapides, plus denses et plus sécurisés fabriqués à partir d'antiferromagnétiques.

Les matériaux antiferromagnétiques ou AFM sont les cousins ??les moins connus des ferromagnétiques ou des matériaux magnétiques conventionnels. Là où les électrons des ferromagnétiques tournent en synchronisme - une propriété qui permet à une aiguille de boussole de pointer vers le nord, suivant collectivement le champ magnétique terrestre - les électrons d'un antiferromagnétique préfèrent le spin opposé à leur voisin, dans un «anti-alignement» qui éteint efficacement la les plus petites échelles.

L'absence d'aimantation nette dans un antiferromagnet le rend imperméable à tout champ magnétique externe. S'ils étaient transformés en dispositifs de mémoire, les bits antiferromagnétiques pourraient protéger toutes les données codées contre l'effacement magnétique. Ils pourraient également être transformés en transistors plus petits et emballés en plus grand nombre par puce que le silicium traditionnel.

Maintenant, l'équipe du MIT a découvert qu'en dopant des électrons supplémentaires dans un matériau antiferromagnétique, ils peuvent activer et désactiver son arrangement anti-aligné collectif, de manière contrôlable. Ils ont trouvé que cette transition magnétique est réversible et suffisamment nette, similaire à la commutation de l'état d'un transistor de 0 à 1. Les résultats, publiés aujourd'hui dans Physical Review Letters, démontrent une nouvelle voie potentielle pour utiliser les antiferromagnétiques comme interrupteur numérique.

«Une mémoire AFM pourrait permettre d’augmenter la capacité de stockage des données des appareils actuels - même volume, mais plus de données», déclare l’auteur principal de l’étude, Riccardo Comin, professeur adjoint de physique au MIT.

Les co-auteurs de Comin au MIT comprennent l’auteur principal et étudiant diplômé Jiarui Li, ainsi que Zhihai Zhu, Grace Zhang et Da Zhou; ainsi que Roberg Green de l'Université de la Saskatchewan; Zhen Zhang, Yifei Sun et Shriram Ramanathan de l'Université Purdue; Ronny Sutarto et Feizhou He de Canadian Light Source; et Jerzy Sadowski du Brookhaven National Laboratory.
Mémoire magnétique

Pour améliorer le stockage des données, certains chercheurs se tournent vers la MRAM, ou RAM magnétorésistive, un type de système de mémoire qui stocke les données sous forme de bits fabriqués à partir de matériaux magnétiques conventionnels. En principe, un dispositif MRAM serait structuré avec des milliards de bits magnétiques. Pour coder des données, la direction d'un domaine magnétique local à l'intérieur du dispositif est inversée, de la même manière que la commutation d'un transistor de 0 à 1.

Les systèmes MRAM pourraient potentiellement lire et écrire des données plus rapidement que les appareils à base de silicium et pourraient fonctionner avec moins d'énergie. Mais ils pourraient également être vulnérables aux champs magnétiques externes.

«Le système dans son ensemble suit un champ magnétique comme un tournesol suit le soleil, c'est pourquoi, si vous prenez un périphérique de stockage de données magnétique et le placez dans un champ magnétique modéré, les informations sont complètement effacées», explique Comin.

Les antiferromagnétiques, en revanche, ne sont pas affectés par les champs externes et pourraient donc être une alternative plus sûre aux conceptions MRAM. Une étape essentielle vers les bits AFM encodables est la possibilité d'activer et de désactiver l'antiferromagnétisme. Les chercheurs ont trouvé diverses façons d'y parvenir, principalement en utilisant le courant électrique pour faire passer un matériau de son anti-alignement ordonné à un désordre aléatoire de spins.

«Avec ces approches, la commutation est très rapide», déclare Li. «Mais l'inconvénient est que chaque fois que vous avez besoin d'un courant pour lire ou écrire, cela nécessite beaucoup d'énergie par opération. Lorsque les choses deviennent très petites, l'énergie et la chaleur générées par les courants courants sont importantes. »

Trouble dopé

Comin et ses collègues se sont demandé s'ils pouvaient réaliser une commutation antiferromagnétique d'une manière plus efficace. Dans leur nouvelle étude, ils travaillent avec du nickelate de néodyme, un oxyde antiferromagnétique cultivé dans le laboratoire de Ramanathan. Ce matériau présente des nanodomaines constitués d'atomes de nickel avec un spin opposé à celui de son voisin, et maintenus ensemble par des atomes d'oxygène et de néodyme. Les chercheurs avaient précédemment cartographié les propriétés fractales du matériau.

Depuis lors, les chercheurs ont cherché à voir s’ils pouvaient manipuler l’antiferromagnétisme du matériau via le dopage - un processus qui introduit intentionnellement des impuretés dans un matériau pour modifier ses propriétés électroniques. Dans leur cas, les chercheurs ont dopé l'oxyde de néodyme et de nickel en dépouillant la matière de ses atomes d'oxygène.

Lorsqu'un atome d'oxygène est éliminé, il laisse deux électrons, qui sont redistribués entre les autres atomes de nickel et d'oxygène. Les chercheurs se sont demandé si l'élimination de nombreux atomes d'oxygène entraînerait un effet domino de désordre qui désactiverait l'anti-alignement ordonné du matériau.

Pour tester leur théorie, ils ont fait pousser des films minces de 100 nanomètres d'oxyde de nickel au néodyme et les ont placés dans une chambre privée d'oxygène, puis ont chauffé les échantillons à des températures de 400 degrés Celsius pour encourager l'oxygène à s'échapper des films et dans l'atmosphère de la chambre. .

Au fur et à mesure qu'ils retiraient de plus en plus d'oxygène, ils ont étudié les films à l'aide de techniques avancées de cristallographie magnétique aux rayons X pour déterminer si la structure magnétique du matériau était intacte, ce qui implique que ses spins atomiques sont restés dans leur anti-alignement ordonné et ont donc conservé l'antiféromagnétisme. Si leurs données montraient une absence de structure magnétique ordonnée, cela indiquerait que l’antiferromagnétisme du matériau s’était éteint, en raison d’un dopage suffisant.

Grâce à leurs expériences, les chercheurs ont pu désactiver l’antiferromagnétisme du matériau à un certain seuil de dopage critique. Ils pourraient également restaurer l'antiferromagnétisme en réintroduisant de l'oxygène dans le matériau.

Maintenant que l'équipe a montré que le dopage active et désactive efficacement l'AFM, les scientifiques pourraient utiliser des moyens plus pratiques pour doper des matériaux similaires. Par exemple, les transistors à base de silicium sont commutés à l'aide de «grilles» activées par tension, où une petite tension est appliquée à un bit pour modifier sa conductivité électrique. Comin dit que les bits antiferromagnétiques pourraient également être commutés en utilisant des portes de tension appropriées, ce qui nécessiterait moins d'énergie que d'autres techniques de commutation antiferromagnétique.

«Cela pourrait présenter une opportunité de développer un périphérique de stockage à mémoire magnétique qui fonctionne de manière similaire aux puces à base de silicium, avec l'avantage supplémentaire de pouvoir stocker des informations dans des domaines AFM qui sont très robustes et peuvent être emballés à des densités élevées», déclare Comin. «C’est la clé pour relever les défis d’un monde axé sur les données.»

Cette recherche a été financée en partie par le Programme des jeunes chercheurs du Bureau de la recherche scientifique de la Force aérienne et le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada. Cette recherche a utilisé les ressources du Center for Functional Nanomaterials et de la National Synchrotron Light Source II, toutes deux situées au Brookhaven National Laboratory.
info MIT

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

Date de dernière mise à jour : 10/05/2021

  • 1 vote. Moyenne 5 sur 5.