Thermische Effekte in der Spintronik erstmals systematisch untersucht

Spintronik – Geräte, die mikroskopischen Magnetismus in Verbindung mit elektrischem Strom nutzen – könnte zu einer Computertechnologie führen, die so schnell ist wie herkömmliche Elektronik, aber wesentlich energieeffizienter. Während derartige Geräte entwickelt und untersucht werden, bleibt eine wichtige ungelöste Frage, wie sich Erwärmung auf den Gerätebetrieb auswirkt.

Ein neues experimentelle Technikberichteten Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign in der Zeitschrift APL-Materialienmisst direkt die Erwärmung in spintronischen Geräten und ermöglicht so einen direkten Vergleich mit anderen Effekten. Die Forscher sagen, dass diese Technik verwendet werden kann, um spintronische Materialien auszuwählen, deren magnetisches Verhalten durch Erwärmung nur minimal beeinflusst wird, was zu schnelleren Geräten führt.

„Spintronische Geräte basieren auf der Fähigkeit, die Magnetisierung durch elektrische Ströme zu ändern, aber dafür gibt es zwei mögliche Erklärungen: elektromagnetische Wechselwirkungen mit dem Strom oder die durch den Strom verursachte Temperaturerhöhung“, sagte Axel Hoffmann, Projektleiter und Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik in Illinois. „Wenn Sie die Funktion des Geräts optimieren möchten, müssen Sie die zugrundeliegende Physik verstehen. Dabei hat uns unser Ansatz geholfen.“

Im Gegensatz zur Elektronik, die elektrische Signale zur Speicherung von Informationen und zur Durchführung von Berechnungen verwendet, nutzt die Spintronik eine grundlegende Eigenschaft von Elektronen, den Spin, der zu mikroskopischem magnetischem Verhalten führt. Aufgrund der magnetischen Natur ihrer Funktionsweise haben diese Geräte das Potenzial, weitaus weniger Energie zu verbrauchen als ihre elektronischen Gegenstücke. Es wurde sogar vorgeschlagen, dass Spintronik, die durch schnelle Elektronik gesteuert wird, energieeffizient bleibt und dennoch die Geschwindigkeit herkömmlicher Computer erreicht. „Es ist, als ob man das Beste aus beiden Welten bekommt“, so Hoffmann.

Die Herausforderung besteht darin, geeignete Materialien für derartige Geräte zu finden. Antiferromagnete haben aufgrund ihrer periodischen Anordnung entgegengesetzter Spins und ihrer begrenzten Empfindlichkeit gegenüber benachbarten Bauelementen Aufmerksamkeit erregt. Um diese Materialien für Speicher und Computer verwenden zu können, muss die Spinstruktur mit elektrischem Strom gesteuert werden. Die hierfür erforderlichen Ströme sind so groß, dass die Temperaturen der Bauelemente so weit ansteigen, dass zusätzlich zu den elektromagnetischen Effekten auch thermische Effekte die Spinstruktur beeinflussen.

„Es wird immer noch darüber diskutiert, ob der Strom direkt für die Spin-Änderungen verantwortlich ist oder ob die daraus resultierende Erwärmung den dominierenden Effekt hat“, sagte Hoffmann. „Wenn es ein stromgetriebener Effekt ist, ist es sehr einfach, den Effekt sehr schnell zu machen. Wenn es ein thermisch getriebener Effekt ist, dann sind Wärmeleitfähigkeit und thermische Relaxation wichtig und sie können die Geschwindigkeit begrenzen, mit der man das Gerät betreiben kann. Die genaue Funktionalität des Geräts hängt also davon ab, welche Physik dafür verantwortlich ist.“

Bisherige Bemühungen, die Bedeutung strom- und temperaturbedingter Effekte zu klären, scheiterten an der Unfähigkeit, Heizeffekte in kleinen Geräten direkt zu messen. Myoung-Woo Yoo, ein Postdoktorand in Hoffmanns Gruppe, demonstrierte eine experimentelle Methode, mit der thermische Effekte daraus abgeleitet werden, wie ein Gerät Substrate mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit erhitzt.

„Wir haben antiferromagnetische Proben auf Siliziumdioxidsubstraten mit unterschiedlicher Dicke hergestellt“, sagte Yoo. „Die Fähigkeit des Substrats, Wärme zu leiten, nimmt mit zunehmender Dicke ab, was bedeutet, dass Antiferromagnete auf dickeren Proben höhere Temperaturen aufweisen, wenn der gleiche elektrische Strom angelegt wird. Wenn die Erwärmung des Geräts für die Änderungen der Spinstruktur wichtig ist, wird es zwischen Geräten auf verschiedenen Substraten einen Unterschied geben.“

Die Forscher stellten fest, dass die Erwärmung einen signifikanten Effekt auf den von ihnen untersuchten Antiferromagneten Mn3Sn hatte. Sie stellten jedoch fest, dass viele andere Antiferromagnete für die Spintronik in Betracht gezogen werden und diese Technik einen Rahmen bietet, um die Rolle der Erwärmung systematisch mit der von elektrischen Stromeffekten zu vergleichen.

„Wir verfügen nun über eine gut durchdachte Strategie, um den Einfluss elektrischer Erwärmung in Spintronik-Geräten zu bewerten“, sagte Yoo. „Außerdem ist dies sehr einfach und sehr allgemein durchzuführen, sodass es auf jedes System angewendet werden kann, auch auf Standardelektronik. Mit dieser Methode kann die Funktionalität in jeder Art von mikroskopischen Geräten optimiert werden.“