導語：來自麻省理工學院（MIT）和美國能源部（DOE）布魯克海文國家實驗室的一組研究人員已經確定如何使用氫離子，在室溫下從空氣中的水中「泵出」，以電控制內部的磁力一種非常薄的磁性材料樣品。這種用於操縱磁特性的方法可以加速計算，傳感器和其他技術的進步。
這項研究在2018年11月12日的自然材料在線版中進行了描述，該研究部分在布魯克海文的國家同步加速器光源II（NSLS-II），一個DOE科學用戶設施辦公室進行。在NSLS-II的相干軟X射線散射（CSX）光束線上進行的測量對於揭示所涉及的微觀機制至關重要，特別是氫離子在樣品中的存在及其在樣品磁性結構變化中的作用。
在這項研究的幾個可能的應用中，它有可能成為自旋電子學發展領域的新平臺，這些器件不僅基於電子電荷，還基於電子自旋，電子的內置屬性使其成為一塊小磁鐵。
與依賴於互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術（用於製造微晶片中數十億個電晶體中的每一個）的標準電子設備不同，自旋電子設備基於磁性材料構建，其包含諸如鐵或錳的磁性原子。與標準微晶片不同，自旋電子器件可以在不提供恆定電源的情況下保持其磁性，並且由於它們產生的熱量顯著減少，因此更節能。
該研究的首席研究員，麻省理工學院的傑弗裏海灘，材料科學與工程教授，以及該協會的聯合主任表示，「隨著CMOS技術接近其路線圖的終點，基於旋轉的設備正在廣泛應用於超越CMOS時代。」 MIT材料研究實驗室。「將自旋電子學引入主流的要求之一是電控制磁性的有效方法。本質上，我們試圖製造電晶體的磁性模擬。」
實現這種控制的一種方法是將離子插入結構中，該結構可以在層之間移動並調節其電磁行為。這稱為磁離子切換。研究人員已經取得了一些有希望的結果，但先前研究中使用的離子類型引起的問題比他們解決的問題多。在這項研究中，該團隊能夠使用氫離子（H +）來解決其中的一些問題，氫離子相對無害，也是最小的離子，使其成為誘導固態結構快速電場驅動變化的理想選擇。
「磁電離子切換是在低功率下電操縱磁力的重要途徑，」領先的Brookhaven研究員Wen Hu說，他是CSX光束線的光束線科學家。「由電壓控制的氫離子遷移在這項研究中起著關鍵作用，並可能導致新的自旋電子器件應用。」
研究人員證明了氫離子用於可逆磁，離子轉換的分層結構，由鉑基，鈷，鈀，氧化釓和金觸點組成。眾所周知，鈀（Pd）能夠將氫存儲在其原子晶格的「角落」中。在樣品上施加電壓，並在正電壓和負電壓之間交替，可以將氫氣泵入和泵出Pd層，將磁性從平面外來回切換到平面內。這是科學家首次證明重金屬的可逆「氫化」。
為了驗證氫被插入Pd層，該組在CSX束線處進行X射線吸收光譜（XAS）。CSX為研究人員提供最先進的軟X射線散射和成像工具，旨在研究複合材料的電子紋理和行為。利用XAS，研究人員可以確定樣本中特定元素周圍的局部電子結構，甚至可以檢測到非常小的變化，由於X射線的可調性質。
「我們使用非常小的X射線束（大約100微米）進行XAS測量，以瞄準工程結構的活動部分。我們觀察到當改變施加到樣品的電壓時，Pd光譜中的明顯偏移，這是一個標誌著Pd轉變為PdH，「CSX光束線的束線光束科學家Claudio Mazzoli說。「這些測量提供了樣本深處發生微觀機制的直接證據。
結語：因此，我們現在知道，氫氣插入設備是對實驗室測量檢測到的樣品磁性變化的解釋。」「這是一種非常新穎獨特的方法，它開闢了一種調製固態器件磁場的全新方式，可能會影響自旋電子應用，」胡說。