传感器、执行器

铁磁控制,更快的数据存储,更小的传感器

麻省理工188金宝搏官方app下载学院(MIT)的研究人员已经开发出一种方法,可以在很小的外加电压下迅速将铁氧体的磁极转换180度,这可以帮助改善数据存储,并制造出更小的传感器。

大卫·l·钱德勒著 2021年9月24日
麻省理工学院(MIT)

我们遇到的大多数磁铁都是由“铁磁”材料制成的。在这些材料中,大多数原子的南北磁轴是沿同一方向排列的,因此它们的合力足以产生显著的吸引力。这些材料构成了当今高科技世界中大多数数据存储设备的基础。

不太常见的是由铁磁性材料制成的带有“i”的磁铁。在这些原子中,一些原子是朝着一个方向排列的,而另一些原子则是完全相反的方向排列的。因此,它们产生的整体磁场取决于两种类型之间的平衡——如果指向一个方向的原子多于指向另一个方向的原子,这种差异就会产生一个朝那个方向的净磁场。

从原则上讲,由于铁磁材料的磁性会受到外力的强烈影响,因此它们应该能够比今天的传统铁磁材料产生更快的数据存储或逻辑电路,并能够将更多的数据存储到给定的空间中。然而,改变磁铁的方向一直是一个挑战。

188金宝搏官方app下载麻省理工学院和其他地方的研究人员已经开发出了这样一种方法,一种只用很小的外加电压就能快速改变铁氧体磁极180度的方法。研究人员说,这一发现可能会开启铁磁逻辑和数据存储设备的新时代。188金宝搏官方app下载

研究结果发表在杂志上自然纳米技术麻省理工学院材料科学与技术教授Geoffrey Beach和核科学与技术教授Bilge Yildiz,以及其他15位麻省理工学院和美国明尼苏达州、德国、西班牙和韩国的教授,发表了一篇由博士后Mantao Huang、Geoffrey Beach和核科学与技术教授Bilge Yildiz撰写的论文。

箭头表示晶格中钆(红色)和钴(蓝色)原子阵列的磁化。在顶部(黄色区域)的电极上施加电压,将氢加载到磁性材料中,这会改变其下面磁化的相对强度,从而翻转该区域的整体磁场方向。麻省理工学院(MIT)

箭头表示晶格中钆(红色)和钴(蓝色)原子阵列的磁化。在顶部(黄色区域)的电极上施加电压,将氢加载到磁性材料中,这会改变其下面磁化的相对强度,从而翻转该区域的整体磁场方向。麻省理工学院(MIT)

该系统使用一种名为钆钴的材料薄膜,这是稀土过渡金属铁磁体的一部分。在它中,两种元素形成了原子的连锁晶格,钆原子的磁轴优先向一个方向排列,而钴原子的磁轴则指向相反的方向。两者在合金成分中的平衡决定了材料的整体磁化强度。

然而,研究人员发现,通过使188金宝搏官方app下载用电压分解水分子在膜表面的氧和氢,氧可以发泄掉,而氢原子——或者更确切地说他们的核,这是单质子——能穿透物质,这改变磁场方向的平衡。这种变化足以将网络磁场方向改变180度——这正是磁性存储器等设备所需要的完全颠倒。

黄说:“我们发现,通过将氢加载到这个结构中,我们可以大大降低钆的磁矩。”磁矩是原子自旋轴排列所产生的磁场强度的量度。

比奇是麻省理工学院材料研究实验室的联合主任,他说,因为这种变化仅仅是通过电压的变化完成的,而不是通过施加电流引起加热,从而通过散热浪费能源,这个过程是非常节能的。188金宝搏官方app下载

比奇说,将氢核注入物质的过程是非常温和的。“你可能会认为,如果你将一些物质注入其他原子或离子,就会使它膨胀并开裂。但事实证明,对于这些薄膜来说,由于质子是一个如此小的实体,它可以渗透到这种材料的大部分,而不会造成导致失效的结构疲劳。”

这张图说明了通过施加电压产生180度净磁化开关的装置结构。麻省理工学院(MIT)

这张图说明了通过施加电压产生180度净磁化开关的装置结构。麻省理工学院(MIT)

这种稳定性已经通过艰苦的测试得到了证明。黄说,这种材料经历了1万次极性转换,没有降解的迹象。

比奇说,这种材料的其他特性可能会得到有用的应用。材料中单个原子之间的磁性排列有点像弹簧。如果一个原子开始与其他原子偏离方向,这个弹簧般的力就会把它拉回来。当物体被弹簧连接时,它们会产生沿着材料传播的波。“对于这种磁性材料,它们被称为自旋波。你会在材料中看到磁化振荡,它们的频率可能非常高。”

事实上,它们可以在太赫兹范围内向上振荡,他说,“这使它们独特地能够产生或感知非常高频的电磁辐射。”没有多少材料能做到这一点。”

比奇说,这种现象在传感器方面的相对简单的应用可能在几年内实现,但更复杂的应用,如数据和逻辑电路,将需要更长的时间,部分原因是整个铁磁技术领域都是相对较新的。

他说,除了这些特定的磁性应用,基本方法还可以有其他用途。“这是一种利用电场控制材料内部特性的方法,”他说。“这本身就相当了不起。”他说,其他的工作已经通过施加电压来控制表面性质,但事实上,这种氢泵方法允许这种深度改变,允许“控制广泛的性质”。

- Chris Vavra编辑,网页内容经理,188金宝搏备用, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com


大卫·l·钱德勒
作者简介:麻省理工学院新闻办公室