Spinnoverføring er en fysisk effekt som fører til at magnetiseringen kan endre retning i magnetiske materialer. Dette gjelder spesielt i 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 båret 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 båret 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 eller kommentarer til artikkelen?

Kommentaren din vil bli publisert under artikkelen, og fagansvarlig eller redaktør vil svare når de har mulighet.

Du må være logget inn for å kommentere.