Spinnoverføring, etter engelsk "spin-transfer", er en fysisk effekt som fører til at magnetiseringen kan endre retning i magnetiske materialer. Dette gjelder spesielt ferromagneter, men fenomenet kan også inntreffe i antiferromagneter. Effekten kan typisk observeres i strukturer på nanometer-skala og benyttes i kommersielle applikasjoner innenfor datateknologi.

Illustrasjon av spinnoverføring. Betrakt et innkommende elektron med spinn som peker oppover (kule med pil opp til venstre i figuren). Dette elektronet transporteres igjennom et ferromagnetisk materiale (F) og kommer ut på den andre siden i et normalt metall (kul med skrå pil til høyre i figuren). Siden spinn-retningen til elektronet har endret seg (fra opp til skrå), må spinn ha blitt overført til magnetiseringen i det ferromagnetiske materialet (den gule pilen i midten). Dette medfører at magnetiseringen dreies mot venstre (vist med den grønne pilen i midten).

Spinnoverføring fra en elektronstrøm til et magnetisk materiale. av B. Montigny. CC BY SA 3.0

Hovedprinsippet bak spinnoverføring består i at en komponent av dreieimpulsen som transporteres i en elektrisk strøm via elektronets spinn overføres fra strømmen til elektronene i det magnetiske materialet. Overføringen av dreieimpuls gir opphav til et dreiemoment, som i sin tur får spinnet til elektronene i det magnetiske materialet til å presessere, hvilket i praksis betyr at magnetiseringen bytter retning. Dette er et eksempel på magnetiseringsdynamikk. Dersom den elektriske strømmen er tilstrekkelig stor, kan spinnoverføring få magnetiseringen i materialet til å permanent bytte retning.

Effekten kan visualiseres ved å betrakte figuren. I det indre av et ferromagnetisk materiale (F i figuren) fører magnetiseringsvektoren (den gule pilen) til at elektroner må ha en av to bestemte spinn-tilstander som ligger langs magnetiseringen. Disse blir ofte kalt spinn-opp og spinn-ned tilstander. Dersom en strøm av elektroner som er spinn-polariserte i en annen retning enn det magnetiske materialet blir injisert i materialet (øverste grå kule til venstre i figuren), må de nødvendigvis overføre den komponenten av dreieimpulsen som ikke er parallell med magnetiseringen. Dette fører til et dreiemoment (grønn pil) på magnetiseringsvektoren som i sin tur skaper magnetiseringsdynamikk.

Spinn-strømmen må ikke nødvendigvis bæres av elektroner. I nyere forskning innenfor dette feltet fokuseres det på spinn-strømmer bært av magnoner, som også kan forårsake spinnoverføring. Spinn-strømmer via magnoner har fordelen at det ikke er noen tilhørende transport av elektroner (elektrisk strøm), slik at resistansen og dermed energi-tapet er mye mindre enn for spinn-strømmer bært av elektroner.

Spinnoverføring er et av de mest sentrale konseptene innenfor spinnelektronikk og brukes primært til å manipulere magnetiseringsretningen til magnetiske materialer. Av kommersielle applikasjoner kan det nevnes at Everspin i 2012 utga den første tilgjengelige spinnoverførings-MRAM (magnetic random access memory) applikasjonen. I motsetning til konvensjonelle MRAM applikasjoner, hvor magnetiske felt benyttes til å endre magnetiseringsretningen til et materiale, bruker spinnoverførings-MRAM elektriske strømmer til å oppnå dette. En av hovedutfordringene for videre vekst av denne teknologien kommersielt er å redusere den nødvendige strømstyrken som kreves for å reversere magnetiseringen.

D. C. Ralph and M. D. Stiles. Spin transfer torques. Journal of Magnetism and Magnetic Materials 320, 1190 (2008).

Foreslå endringer i tekst

Foreslå bilder til artikkelen

Kommentarer

Har du spørsmål om artikkelen? Skriv her, så får du svar fra fagansvarlig eller redaktør.

Du må være logget inn for å kommentere.