Un strat metalic ultrafin amplifică semnalele legate de spin și deschide calea spre electronica de ultrajoasă putere
Cercetătorii de la Universitatea Kyushu au descoperit că un strat ultrafin de iridiu-mangan (IrMn) poate îmbunătăți două semnale legate de spin într-o structură formată dintr-un izolator magnetic și o peliculă de platină. Studiind modul în care sunt generate și absorbite curenții de spin, echipa a obținut indicii despre felul în care stratul intermediar îmbunătățește transferul de spin. Rezultatele ar putea contribui la dezvoltarea unor dispozitive de ultrajoasă putere pentru calcul și recuperarea energiei.
Spintronica este o abordare mai complexă decât electronica convențională, folosind spinul electronului, pe lângă sarcina electrică, pentru a procesa și transmite informația. Timp de decenii, cercetătorii au investigat diverse modalități de a utiliza fenomenele legate de spin în calcul, stocarea datelor și recuperarea energiei. Un astfel de fenomen este efectul Seebeck de spin (SSE), în care o diferență de temperatură într-un material magnetic generează un curent de spin care poate fi convertit în electricitate. Un altul este magnetorezistența Hall de spin (SMR), în care rezistența electrică a unui metal se modifică în funcție de orientarea relativă a curentului electric și a magnetizării unui strat magnetic vecin.
Dacă ar fi valorificate eficient, SSE ar putea oferi o modalitate de a recupera energie din căldura care altfel ar rămâne nefolosită, iar SMR ar putea fi utilă pentru stocarea datelor și calcul. Totuși, curenții de spin tind să slăbească pe măsură ce traversează materialele, ceea ce limitează potențialul ambelor efecte. Ambele depind de așa-numita conductanță de amestecare a spinului, care descrie cât de eficient trece spinul prin granița dintre un material magnetic și unul nemagnetic. Studii anterioare au arătat că inserarea unor straturi ultrafine la această graniță poate îmbunătăți semnalele legate de spin asociate cu conductanța de amestecare a spinului, însă mecanismele precise rămâneau neclare.
Pentru a lămuri această problemă, o echipă de cercetare condusă de profesorul Hiromi Yuasa de la Facultatea de Știința Informației și Inginerie Electrică din cadrul Universității Kyushu a examinat modul în care un strat de IrMn influențează atât SSE, cât și SMR. Rezultatele au fost publicate în jurnalul Materials Today Physics pe 30 septembrie 2026. Cercetătorii au fabricat structuri din granat de fier și ytriu (YIG), IrMn și platină (Pt), variind grosimea stratului intermediar de IrMn între 0 și 1 nm. În acest design, YIG a servit drept izolator magnetic, iar Pt a convertit curenții de spin în semnale electrice.
Măsurarea atât a SSE, cât și a SMR a permis echipei să compare pomparea de spin, care transferă momentul unghiular de spin din stratul magnetic de YIG, cu absorbția de spin, unde curentul de spin este absorbit la interfață. Rezultatele au arătat că stratul de IrMn cu grosimea de 0,3 nm a produs cele mai puternice răspunsuri atât în tensiunea SSE, cât și în SMR. Conductanța de amestecare a spinului calculată din cele două efecte a fost și ea în bună concordanță, susținând concluzia că IrMn îmbunătățește pomparea și absorbția de spin prin mecanisme interfaciale corelate. La această grosime, se așteaptă ca IrMn să formeze structuri asemănătoare unor insule, nu o peliculă continuă. Această morfologie ar putea influența transferul de spin la interfețe, deși sunt necesare cercetări suplimentare pentru a determina contribuțiile interfețelor individuale.
În ansamblu, aceste constatări oferă o modalitate de a îmbunătăți transferul de spin prin controlarea grosimii și structurii unui strat intermediar. Acest lucru ar putea ajuta cercetătorii să dezvolte tehnologii bazate pe spin pentru convertirea căldurii în electricitate. „O aplicație potențială a acestei lucrări o reprezintă dispozitivele informaționale fără baterie, care nu prezintă riscul de explozie a bateriei. Prin valorificarea generării de energie prin efectul Seebeck de spin, aceste dispozitive de ultrajoasă putere ar putea funcționa fără o sursă externă de alimentare sau stocare de energie”, spune Yuasa.
În viitor, spintronica ar putea deschide calea spre comunicații eficiente energetic la scară largă, concluzionează Yuasa: „Cercetarea noastră ar putea contribui la tehnologii de calcul sustenabile bazate pe principii noi, susținând dezvoltarea unei societăți informaționale avansate fără precedent.”
