Nuevo avance en investigación de materiales: un pequeño ajuste lleva a grandes progresos en SOT

MadridInvestigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang (POSTECH) han logrado un avance significativo en la investigación de materiales. Este avance ha impulsado el progreso en los materiales de torque de espín-órbita (SOT), cruciales para la futura memoria DRAM. El equipo de investigación estuvo conformado por el Profesor Daesu Lee y el candidato a doctorado Yongjoo Jo del Departamento de Física, junto con el Profesor Si-Young Choi del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales. Sus hallazgos fueron publicados en Nano Letters.

El descubrimiento clave consistió en:

• Desarrollando un cambio de magnetización SOT altamente eficiente y sin campo.
• Usando control a nivel atómico de óxidos compuestos.
• Centrado en el rutenato de estroncio (SrRuO₃).

SOT ocurre cuando las propiedades magnéticas y eléctricas de los electrones interactúan. Esta interacción altera el estado magnético a través del movimiento de espín cuando fluye corriente. Utilizar datos magnéticos en lugar de eléctricos reduce el consumo de energía en la memoria. Esto es ventajoso para la memoria no volátil, la cual mantiene la información incluso cuando la energía está apagada.

Investigadores estudian diferentes materiales, principalmente semiconductores y metales, para encontrar aquellos que muestren tanto magnetismo como el "efecto spin-Hall". Un enfoque clave es lograr una conmutación de magnetización eficiente a través de los torques de spin-órbita (SOTs). Uno de los problemas que enfrentan es que las corrientes de spin opuestas creadas en una sola capa pueden anularse entre sí.

Los profesores Lee y Choi abordaron este problema modificando la estructura pequeña del material. Se centraron en el SrRuO3, que presenta tanto magnetismo como efectos Hall de espín. El equipo creó SrRuO3 con diferentes efectos Hall de espín en las capas superior e inferior al ajustar la estructura atómica de dichas capas.

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Ajustaron el efecto Hall de espín utilizando una superficie especialmente diseñada para controlar la dirección de la magnetización. Así, lograron cambiar la magnetización de manera eficiente sin necesitar un campo magnético. Integraron torques de espín-órbita (SOT) en un dispositivo hecho de SrRuO3. Esto les permitió modificar la orientación magnética empleando únicamente una corriente eléctrica para escribir y leer datos.

El dispositivo de memoria resultante demostró:

• Máxima eficiencia (entre 2 y 130 veces mayor).
• Mínimo consumo de energía (entre 2 y 30 veces menor).

Esta comparación se realizó con cualquier otro sistema conocido de una sola capa y sin campo. La magnetización se invirtió sin necesidad de un campo magnético y mantuvo las propiedades habituales de SrRuO3 observadas en estudios anteriores.

El profesor Lee indicó que el SrRuO3 asimétrico desarrollado por su equipo es crucial para investigar la relación entre el ferromagnetismo y el efecto Hall de espín. Está ansioso por ver más estudios que identifiquen nuevos mecanismos de SOT y que conduzcan a la creación de materiales de SOT altamente eficientes, de una sola fase y que funcionen a temperatura ambiente.

El estudio recibió financiación del Programa de Incubación de Tecnología Futura de Samsung y del Programa de Investigación de Mediana Carrera de la Fundación Nacional de Investigación de Corea.