Urbana-Champaign’deki Illinois Üniversitesi’ndeki bilim adamları, spintronik cihazlardaki ısınmayı doğrudan ölçebilen yeni bir deneysel teknik geliştirdiler. Bu teknik, manyetik davranışı ısıtmadan minimum düzeyde etkilenen spintronik malzemeleri seçmek için kullanılabilir ve bu da cihazların daha hızlı olmasını sağlar.
Spintronik, geleneksel elektronik kadar hızlı çalışabilen ve aynı zamanda enerji açısından çok daha verimli olan cihazlar yaratmak için mikroskobik manyetizmayı elektrik akımıyla birleştiren bir bilim ve teknoloji alanıdır. Ancak çözülmemiş önemli bir konu, ısının cihaz performansını nasıl etkilediğidir.
“Spintronic cihazlar, elektrik akımlarını kullanarak mıknatıslanmayı değiştirme yeteneğine dayanıyor ancak bunun iki olası açıklaması var: akımla elektromanyetik etkileşim veya akımın neden olduğu sıcaklıktaki artış. Bir cihazın performansını optimize etmek istiyorsanız temel fiziği anlamalısınız. Yaklaşımımızın bize yardımcı olduğu şey buydu,” dedi Illinois’deki proje lideri ve malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü Axel Hoffmann.
Bilgiyi depolamak ve hesaplamalar yapmak için elektrik sinyallerini kullanan elektroniklerden farklı olarak spintronik, elektronların spin adı verilen temel bir özelliğini kullanır ve bu da manyetik davranışa neden olur. Bu cihazlar, çalışmalarının manyetik yapısından dolayı elektronik muadillerine göre çok daha az güç tüketme potansiyeline sahiptir. Hatta hızlı elektroniklerle çalışan spintroniklerin, geleneksel bilgisayarların hızına ulaşırken enerji açısından verimli kalacağı bile öne sürüldü. Hoffmann, “Bu, her iki dünyanın da en iyisini elde etmek gibi” dedi.
Sorun bu tür cihazlara uygun malzeme bulmaktı. Antiferromıknatıslar, zıt dönüşlerin periyodik düzenlemeleri ve yakındaki cihazlara karşı sınırlı hassasiyetleri nedeniyle dikkat çekmiştir. Bu malzemeleri hafıza ve hesaplama amacıyla kullanmak için, spin yapısının bir elektrik akımı ile kontrol edilmesi gerekir. Bunun için gereken akımlar o kadar yüksektir ki, cihazın sıcaklığı, elektromanyetik etkilerin yanı sıra termal etkilerin de spin yapısını etkilediği noktaya kadar yükselir.
“Dönme değişikliklerinden akımın doğrudan sorumlu olup olmadığı veya ortaya çıkan ısınmanın baskın etki olup olmadığı konusunda devam eden bir tartışma var. Eğer akımdan kaynaklanan bir etki ise bu durumda etkiyi çok hızlı bir şekilde yapmak çok kolaydır. Eğer ısı kaynaklı bir etki ise, o zaman ısı iletimi ve ısıl gevşeme önemlidir ve cihazın hızını sınırlayabilir. Dolayısıyla cihazın tam işlevselliği, hangi fiziğin bundan sorumlu olduğuna bağlıdır” dedi Hoffmann.
Akım ve sıcaklık etkilerinin önemini anlamaya yönelik geçmişteki girişimler, küçük cihazlardaki ısıtma etkilerinin doğrudan ölçülememesi nedeniyle sekteye uğramıştır. Hoffman’ın grubundaki doktora sonrası araştırmacı Myung-Woo Yu, cihazın farklı termal iletkenliklere sahip alt katmanları ısıtma şeklinden termal etkilerin çıkarıldığı deneysel bir yöntem gösterdi.
“Farklı kalınlıklardaki silikon dioksit substratları üzerinde antiferromanyetik örnekler hazırladık. Bir alt tabakanın ısıyı iletme yeteneği kalınlık arttıkça azalır, bu da daha kalın numunelerdeki antiferromıknatısların aynı elektrik akımı uygulandığında daha yüksek sıcaklıklara sahip olduğu anlamına gelir. Döndürme yapısını değiştirmek için cihazın ısıtılması önemliyse, farklı alt tabakalardaki cihazlar arasında farklılıklar gözlemlenecektir” dedi Yu.
Araştırmacılar, ısıtmanın, üzerinde çalıştıkları antiferromıknatıs Mn 3 Sn üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu buldu. Bununla birlikte, spintronik için düşünülen birçok başka antiferromıknatıs bulunduğunu ve bu yöntemin, ısıtmanın rolünü elektrik akımının etkileriyle sistematik olarak karşılaştırmak için bir temel sağladığını belirttiler.
“Artık spintronik cihazlarda elektrikli ısıtmanın etkilerini değerlendirmek için iyi düşünülmüş bir stratejimiz var. Çok genel anlamda yapılması da oldukça kolaydır, dolayısıyla standart elektronikler de dahil olmak üzere her sisteme uygulanabilir. Bu metodoloji her türlü mikroskobik cihazın işlevselliğini optimize etmek için kullanılabilir” dedi Yu.
