研究揭示了磁铁矿电气切换的“限速”

光学激光脉冲（从右上右上的红色条纹）在磁铁矿的绝缘样品中扭伤了有序的电子结构（蓝色），将材料切换到电导（红色）在一秒钟的一秒钟内。格雷格·斯图尔特/ SLAC

SLAC国家加速器实验室的新研究首次揭示了磁铁矿电气切换的“速度限制”。

Menlo Park，加利福尼亚州 - 美国能源部的研究人员（DOE）SLAC国家加速器实验室已经达到了磁铁矿的最快电气开关，是一种自然的磁性矿物。它们的结果可以推动微小晶体管的创新，控制跨硅芯片的电流，从而实现更快，更强大的计算设备。

使用SLAC的LINAC相干光源（LCLS）X射线激光器的科学家发现，它只需要1万亿秒，以翻转磁铁矿样本中的开关电气开关，这比现在晶体管速度快千倍。结果是7月28日在自然材料中公布的。

“这项突破性研究首次揭示了在这种材料中电气切换的”速度限制“，”斯特克斯和斯坦福大学的材料科学研究员罗帕卢利·库鲁贾说，这是一项研究的领先作者。

LCLS实验还展示了研究人员，样品的电子结构如何重新排列成导电区域包围的非导电“岛”，该导电区域开始在激光脉冲击中样品之后仅形成一秒的数百英尺。该研究表明，这种导电和非导电状态如何可以在下一代晶体管中共存和创造电路。

在其绝缘状态下，磁铁矿样品具有电荷锁定到称为“三聚体”的结构中，该结构由三个铁原子（A）组成。光学激光脉冲用于破裂三聚体（B），产生非导电三聚结构（C）周围岛的电导率（红色）的股线。S. de Jong等人./nature材料

科学家首先用一个可见光激光击中每个样品，该激光在原子尺度下将材料的电子结构分散，重新排列以形成岛屿。激光爆炸紧随其后的是超强的超短X射线脉冲，使研究人员首次进行研究，这些时间和细节由初始激光冲击激发的样本中的变化。

通过略微调节X射线脉冲的间隔，精确地测量了材料从非导电到导电状态移动的时间，并且在该开关期间观察到结构变化。

科学家们已经工作了数十年来解决这个电气结构在原子水平，而去年的另一个研究团队已经将其构建块识别为“三聚体” - 由三个铁原子锁定在收费中。发现提供了在LCLS实验中解释结果的关键见解。

Kukreja说，必须将磁铁矿冷却至负190摄氏度以锁定其电荷，因此下一步是研究更复杂的材料和室温应用，Kukreja表示。未来的实验旨在识别异国情调化合物并测试新技术，以诱导切换，然后进入优于现代硅晶体管的其他性能。研究人员已经进行了关注的后续研究，这些研究重点放在杂交材料上，在接近室温下表现出类似的超快切换性能，这使其成为商业用途的更好候选者而不是磁铁矿。

LCLS实验和斯坦福材料和能源科学研究院的高级员工科学家（SIMES）的主要调查员HermannDürr说，正在通过使用新材料来超越现代半导体晶体管的主要全球努力，以满足对更小和更小的要求更快的计算机，LCLS具有独特的家庭能力，可以在数量的原子中出现的过程中的数量和十六天。

Dürr说，虽然磁铁矿的基本磁性特性已知数千年来，但实验表明了磁铁矿和其他更复杂的材料更加异落的电子特性仍然可以了解多少。

关于这项研究的其他合作科学家来自柏林·柏林的材料和能量;汉堡大学/免费电子激光科学中心（CFEL）;阿姆斯特丹大学; Elettra-sincrotrone的T-Rex实验室和里雅斯特大学;科隆，波茨坦雷根斯堡和普渡大学;劳伦斯伯克利国家实验室的先进光源;和swissfel。

斯坦福大学的研究通过DOE科学办公室的SIMES和LCLS支持。该研究的部分在LCLS的软X射线（SXR）仪器上进行，由斯坦福大学为母鹿运营的用户设施。SXR由一个财团资助，包括LCLS，Stanford，Berkeley Lab，CFEL，汉堡大学以及欧洲的其他几个研究组织。

出版物：S. de Jong等，“磁铁矿中绝缘金属过渡的速度限制，”自然材料，（2013）; DOI：10.1038 / NMAT3718

图片：Greg Stewart / Slac; S. de Jong等人./nature材料