Magnetisk elektronik: Bikristaller med hög spinn-polarisering studerade
I moderna elektronikkomponenter använder man inte bara elektronernas laddning, som i konventionell elektronik, utan också elektronens magnetiska moment, dess spinn. Detta har bland annat möjliggjort de senaste årens oerhört snabba ökning av lagringskapaciteten hos datorers hårddiskar. Robert Gunnarsson på Chalmers har i ett doktorsarbete studerat bikristallkopplingar i en magnetisk manganoxid, manganit, som har högre spinn-polarisering än de ämnen som används idag. Studierna kan ligga till grund för utvecklingen av förbättrade elektronikkomponenter.
Det senaste decenniet har ett antal vetenskapliga framsteg inom fasta tillståndets fysik medfört att nya elektronikkomponenter har kunnat utvecklas. Detta har möjliggjorts av nya spinnelektronikkomponenter, främst sensorer som är mindre och känsligare än sina föregångare. Den komponent som framförallt medverkat till den snabba utvecklingen är magnetiska tunnelkopplingar. I en magnetisk tunnelkoppling överförs elektroner från en magnetisk elektrod till en annan via kvantmekanisk tunnling. Elektronernas spinn avgör vilka elektroner som får tunnla eller inte.
Andra forskargrupper har tidigare visat att ett tunnelliknande beteende kan uppstå i gränsytan mellan två eller flera korn av magnetiska kristaller där en hög andel av de tunnlande spinnen pekar i samma riktning. Robert Gunnarsson har studerat bikristallkopplingar i en magnetisk manganoxid som har mycket hög spinn-polarisering, cirka 95 procent,, jämfört med de ämnen som används idag och som har en spinn-polarisering på cirka 60 procent
– Vi har tillverkat bikristaller av manganit, där gränsytan mellan två kristaller kan ges en bestämd vinkel med varandra. I denna struktur har vi studerat tunneleffekten och har kunnat besvara tre viktiga frågor kring magnetiska tunnelkomponenter. För det första har vi visat hur en uppsättning bikristallkopplingar kan användas som modellsystem för polykristallina material som innehåller en samling med slumpmässigt ordnade kristaller. Vidare har vi visat att kristallstrukturen nära bikristallkorngränsen är sådan att elektronerna verkligen kan transporteras genom kvantmekanisk tunnling. Dessutom har vi, genom att studera enskilda bikristallkopplingar, kunnat urskilja olika processer då spinnen byter riktning i elektroderna. Vi har visat att det sistnämnda öppnar upp möjligheten att förutsäga vissa egenskaper hos magnetiska bikristallkopplingar, säger Robert Gunnarsson.
Arbetet har i stor utsträckning utförts i renrumsmiljö vid sektionen för mikroteknologi och nanovetenskap, MC2. Viktiga samarbetspartners har varit avdelningen för experimentell fysik, Chalmers, avdelningen för materialvetenskap vid Uppsala Universitet, samt Laboratoire des Matériaux et du Génie Physique, CNRS-ENSPG, St Martin d’Hères, Frankrike. Studierna är utförda inom ramen för OXIDE, ett materialkonsortium finansierat av Stiftelsen för strategisk forskning.
Avhandlingen “Magnetic bicrystal junctions – a study of half-metallic manganite grain boundaries” försvaras vid en offentlig disputation på Chalmers den 17 september kl. 10.00, 2004 i sal Kollektorn, MC2, Kemivägen 9, Göteborg.
Kvantmekanisk tunnling innebär att en partikel, (t.ex. en elektron) kan passera en barriär, som enligt klassisk fysik är oöverstiglig. En sådan barriär kan t. ex vara ett tunt isolerande skikt mellan två metaller. (tunneleffekt, Nationalencyklopedin)
Kontaktinformation
Mer information
Robert Gunnarsson, Mikroteknologi och nanovetenskap, MC2, Chalmers
Tel: 031-772 3303 (Inst.)
E-post: robert.gunnarsson@mc2.chalmers.se
