Ett steg framåt för ultrasnabb spinnelektronik

I spinnbaserad elektronik utnyttjas elektronens spinn som informationsbärare. För att möta människans behov av allt snabbare elektronik behöver hastigheten ökas till max. Uppsalafysiker visar nu i tidskriften Nature Communications hur spinninformation kan överföras med hjälp av spinnströmmar i terahertztakt – vilket är tusen gånger snabbare än idag.

I dagens laddningsbaserade elektronik används elektronernas laddning som informationsbärare. En stor nackdel är de stora energiförlusterna som uppstår genom laddningsströmmar. Om man i stället utnyttjar elektronens spinn som informationsbärare kan man framställa mycket energisnålare elektroniska komponenter, vilket är målet i den så kallade spinnelektroniken.

För att förverkliga spinnelektronikens vision krävs en kontrollerbar transport av spinnmagnetiska moment i nanostrukturerat material. Samtidigt behöver spinnelektroniska operationer genomföras så snabbt som möjligt, vilket innebär att väldefinierade spinnströmmar skickas med terahertzfrekvens genom transistorkomponenter. Det kan jämföras med dagens laddningsbaserade elektroniska komponenter som fungerar med gigaherztakt.

I ett internationellt samarbete har nu tre forskare från Uppsala universitet, Marco Battiato, Pablo Maldonado och Peter Oppeneer, tillsammans med fysiker från Jülich och Kaiserslautern, Tyskland, och Boulder, USA, visat hur spinnströmmar kan både genereras och transfereras från ett nanoskaligt metallskikt till ett annat inom mindre än en pikosekund (10 upphöjt till -12 sekunder). Ultrakorta ljuspulser (med 10 upphöjt till -15 sekunders pulslängd, så kallad femtosekund) används för att skapa spinnströmmar som rör sig supersnabbt genom de nanostrukturerade materialskikten och transfererar spinnet.

– Eftersom de genererade spinnströmmarna transporterar spinnmomentet inom bara några femtosekunder behövdes ny teknik för att detektera dem. Vi lyckades göra det med ultrakorta röntgenblixtar, som har pulslängden av bara några femtosekunder, berättar Peter Oppeneer, som ansvarar för denna forskning vid Uppsala universitet.

Spinnmagnetiska moment mättes med magnetisk röntgenspektroskopi och därmed blev det möjligt att för första gången se in i spinndynamiska processer som hittills varit dolda. Uppsalaforskarna utvecklade en grundläggande teori för dessa ”supradiffusions-spinnströmmar”, som nu har visat sig vara orsaken till ultrasnabb spinndynamik.

- Ett viktigt kännetecken för supersnabba spinnströmmar är att de uppstår utifrån icke-jämviktsprocesser, vilket också är anledningen till deras högre hastighet. Med vår upptäckt banar vi vägen för framtidens utveckling av höghastighets-spinnelektronik, säger Peter Oppeneer.

Artikelreferens:
"Ultrafast magnetization enhancement in metallic multilayers driven by superdiffusive spin current”
Dennis Rudolf, 1* Chan La-O-Vorakiat, 2*  Marco Battiato, 3* Roman Adam,1 Justin M. Shaw,4 Emrah Turgut,2  Pablo Maldonado,3 Stefan Mathias,2,5 Patrik Grychtol,1,2 Hans T. Nembach,4 Thomas J. Silva,4 Martin Aeschlimann,5 Henry C. Kapteyn,2 Margaret M. Murnane,2 Claus M. Schneider1 and Peter M. Oppeneer3
http://dx.doi.org/10.1038/ncomms2029

För mer information kontakta: Peter Oppeneer, professor vid institutionen för fysik och astronomi, på 018-471 37 48, 0709-60 40 16 eller Peter.Oppeneer@fysik.uu.se