与数字技术相关的能源消耗的快速增长是一项重大的全球挑战。一个关键问题是降低磁性数据存储设备的能耗，例如用于大型数据中心。由麻省理工学院 (MIT) 领导、开姆尼茨理工大学化学研究所电化学传感器和储能教授 Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士(前任负责人)参与的国际研究团队莱布尼茨固态和材料研究所 (IFW) 德累斯顿的磁离子和纳米电沉积研究小组现在证明了通过电压感应氢加载到亚铁磁体中可以实现180° 磁化反转。

这一结果具有突出的相关性，因为从基本原理来看，纯电场进行 180° 磁化反转本质上是困难的，但它有望大幅降低磁化转换的能耗。对于数据存储和操作中的应用，180° 磁化切换至关重要，因为单个位中的磁化通常与 180° 相反。因此，这项研究的结果有可能开辟一条途径，以显着降低数据存储的全球功耗。

除了麻省理工学院和开姆尼茨理工大学的参与者外，研究团队还包括来自明尼苏达大学、韩国科学技术研究院和巴塞罗那ALBA同步加速器的科学家。麻省理工学院的材料科学家 Mantao Huang 博士和 Geoffrey Beach 教授领导了氢基磁离子器件和自旋电子学方面的专家。

结果发表在著名期刊《自然纳米技术》上。

新的方法

在磁性数据存储介质中，例如硬盘驱动器或 MRAM(磁性随机存取存储器)，信息是通过微观区域中特定的磁化排列来存储的。磁化方向通常由电流或局部磁场调节——这些磁场也由微线圈中的电流产生。在这两种情况下，电流都会因焦耳热而导致能量损失。因此，通过电场控制磁化强度是降低磁数据技术能耗的一种很有前景的方法。然而，到目前为止，磁化的电场控制需要高电压或仅限于低温。

作为电压感应磁化切换的一种新方法，研究小组利用了亚铁磁体的特定特性。铁磁体提供多亚晶格配置，具有彼此相反的不同量级的亚晶格磁化。净磁化产生于亚晶格贡献的添加。与传统使用的铁磁体相比，铁磁体还具有技术优势，因为它们允许例如快速自旋​​动力学。

对于亚铁磁钆钴 (GdCo)，研究人员可以证明相对亚晶格磁化可以通过电压诱导的氢加载/卸载可逆地切换。为此，GdCo 与固态氧化钆 (GdOx) 层结合电解质和钯 (Pd) 夹层。通过在结构上施加栅极电压，质子被驱动到底部电极并导致 Pd/GdCo 层的氢化。将氢引入 GdCo 晶格会导致 Gd 的亚晶格磁化强度比 Co 更强。这种所谓的磁离子效应在超过 10 000 次循环后是稳定的。它可以通过元素特定的 X 射线磁圆二色性 (XMCD) 光谱来证明，并且是所证明的磁化切换的基础。

为了在没有外部磁场的情况下实现 180° 磁化反转，研究人员使用额外的反铁磁氧化镍 (NiO) 层对 GdCo/Pd/GdOx 层结构进行了功能化。在这里，他们从所谓的“交换偏见”效应中获利。当亚铁磁层或铁磁层与反铁磁层接触时会发生这种效应。它基于界面磁自旋的耦合，并导致铁/亚铁磁体磁化方向的钉扎。例如，在硬盘驱动器的读取磁头中的磁传感器中使用交换偏置效应来固定参考层的磁化方向。对于铁磁 GdCo，与反铁磁 NiO 的接触导致亚晶格磁化方向的钉扎。在这种情况下，在磁离子切换过程中，净磁化转换 180°。这第一次标志着纯电场控制的磁化反转，无需磁场的帮助。

Karin Leistner 教授和 Jonas Zehner 博士带来了他们在磁离子控制转移到交换偏置系统方面的专业知识。“我的小组深入研究了磁离子系统与反铁磁层的组合，我们现在是交换偏压的磁离子控制方面的专家，”Karin Leistner 教授解释说。在他攻读博士学位期间 在 IFW Dresden 的 Karin Leistner 研究小组期间，Jonas Zehner 抓住机会在麻省理工学院的 Beach 教授小组进行了为期六个月的研究。在本次研究期间，Jonas Zehner 与 Karin Leistner 教授和 Geoffrey Beach 教授一起发起并优化了 180° 磁化反转所需的交换偏置层结构。为此，他首先将磁离子模型系统 Co/GdOx 与反铁磁 NiO 结合起来。他通过磁控溅射制备了薄膜系统，并分析了厚度、成分和层序对交换偏压和磁离子控制的影响。氢加载过程中的磁性是用自制的磁光克尔效应装置测量的。通过这些实验，他发现 GdCo 和 NiO 之间的超薄 Pd 层对于稳定交换偏置效应至关重要。

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