Nyt fænomen i nanodiske magnetiske hvirvler

(Phys.org) -- Fænomenet i ferromagnetiske nanodiske af magnetiske hvirvler - orkaner af magnetisme kun få atomer på tværs - har skabt intens interesse i det højteknologiske samfund på grund af den potentielle anvendelse af disse hvirvler i ikke-flygtig Random Access Memory (RAM) datalagringssystemer. Nye resultater fra forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) indikerer, at vejen til magnetisk hvirvel-RAM kan være sværere at navigere end tidligere antaget, men der kan også være uventede belønninger.

I et eksperiment muliggjort af de unikke røntgenstråler ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS), et team af forskere ledet af Peter Fischer og Mi-Young Im fra Center for X-Ray Optics (CXRO), i samarbejde med videnskabsmænd i Japan, opdagede, at i modsætning til hvad man tidligere troede, dannelsen af ​​magnetiske hvirvler i ferromagnetiske nanodiske er et asymmetrisk fænomen. Det er muligt, at dette brud på symmetrien ville føre til fejl i en datalagringsenhed under initialiseringsprocessen.

"Vores eksperimentelle demonstration af, at hvirveltilstanden i en enkelt magnetisk nanodisk oplever symmetribrud under dannelsen betyder, at til datalagringsformål, der vil sandsynligvis skulle være en langvarig verifikationsproces for at korrigere for fejl, " siger jeg. "På den positive side, ikke-symmetrisk adfærd skaber en forspændende effekt, der kan anvendes på en sensor eller en logisk enhed."

"Vores undersøgelse er også et godt eksempel på mesoscale videnskab, som bringer nanovidenskaben fra det sidste årti til næste niveau, " siger Fischer. "Mesoskala-fænomener omfatter kompleksitet og funktionalitet over forskellige længdeskalaer."

Im og Fischer beskriver denne undersøgelse i et papir offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation . Papiret har titlen "Symmetribrud i dannelsen af ​​magnetiske hvirveltilstande i en permalloy nanodisk." Medforfatter til dette papir var Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani og Teruo Ono.

Magnetiske hvirveltilstande genereres i ferromagnetiske nanodiske, fordi elektronernes spin, som giver anledning til magnetiske momenter, skal følge skivens form for at sikre lukning af magnetiske fluxlinjer. Dette resulterer i krølning af magnetiseringsfluxlinjerne i planet. I midten af ​​disse krøllede fluxlinjer er en nålelignende kerne, en "eye-of-the-orcane", der peger enten op eller ned i forhold til nanodiskens overfladeplan.

"Magnetiseringen af ​​den ferromagnetiske nanodisk har derfor to komponenter, op- eller nedpolariteten af ​​kernen og chiraliteten (rotationen) af magnetiseringen i planet, som kan være enten med uret eller mod uret, " siger jeg. "Det er blevet foreslået, at disse fire uafhængige orienteringer kan bruges til at gemme binære data i nye ikke-flygtige lagerenheder."

"Antagelsen har været, at magnetiske hvirveltilstande ville udvise en perfekt symmetri, der kræves for hvirvelbaserede datalagringsenheder, fordi energitilstandene for de fire orienteringer var ækvivalente, betyder fire logiske værdier pr. enhed, " siger Fischer. "Men vi viser, at hvis du analyserer et tilstrækkeligt stort ensemble af nanodiske, dette er ikke tilfældet. Vores resultater viser, hvordan adfærd i mesoskala kan være væsentligt forskellig fra adfærd i nanoskala."

Nøglen til opdagelsen af ​​magnetisk hvirvelsymmetri-brydning var forskerholdets evne til samtidig at observere både chiralitet og polaritet i et stort udvalg af nanodiske. Tidligere undersøgelser fokuserede på enten chiralitet eller polaritet i en enkelt disk. Denne samtidige observation blev udført ved hjælp af XM-1 røntgenmikroskopet ved ALS strålelinje 6.1.2. XM-1 giver fuld-felt magnetisk transmission blød røntgenmikroskopi med rumlig opløsning ned til 20 nanometer, til dels takket være røntgenoptik af høj kvalitet leveret af CXRO-forskere.

"Blød røntgenmikroskopi med magnetisk transmission tilbyder billeddannelse med høj rumlig og tidsmæssig opløsning med elementspecifik magnetisk kontrast, gør det til en ideel metode til at studere spindynamik på nanoskala, såsom hvirvelkernedynamik, " siger jeg. "XM-1 giver et stort synsfelt og derfor meget korte eksponeringstider pr. disk."

Jeg er, Fischer og deres kolleger lavede nanodiske af permalloy, en nikkel- og jernlegering, hvis magnetiske egenskaber er blevet fuldt karakteriseret. Ved hjælp af elektronstrålelitografi mønstrede de store arrays af diske, hver med en radius på 500 nanometer og en tykkelse på 100 nanometer. Arrays blev deponeret på siliciumnitridmembraner for at tillade tilstrækkelig transmission af bløde røntgenstråler og eksponeret i XM-1 i nogle få sekunder. I deres papir, Forfatterne konkluderer, at den observerede symmetribrud højst sandsynligt skyldes en kombination af iboende og ydre faktorer. Den iboende faktor menes at være en antisymmetrisk kobling mellem spin af to elektroner kaldet Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen. Ydre faktorer omfatter defekter langs kanterne af nanodiskene og ru nanodiskoverflader.

"Vores fund er bestemt et nyt fysisk fænomen i magnetiske hvirvler, som ikke er blevet undersøgt indtil videre, " siger Im. "Den statistiske betydning af vores eksperimentelle arbejde og vores strenge 3D mikromagnetiske simulering til genereringsprocessen af ​​hvirveltilstand giver vigtig ny information til den mindre kendte fysik i magnetiseringsprocessen af ​​nanodiske."

"Vi har også vist, at deterministisk adfærd og funktionalitet på mesoskalaen ikke altid kan ekstrapoleres fra selv en fuldstændig forståelse af nanoskala adfærd, " siger Fischer. "Med andre ord, at forstå en enkelt LEGO klods er måske ikke nok til at bygge en stor og kompleks struktur."

Im er den tilsvarende forfatter til Nature Communications-papiret. Medforfatterne Yamada og Ono er med Kyoto University, medforfattere Sato og Nakatani er med University of Electro-Communications i Chofu, og medforfatter Kasai er med Japans og National Institute for Materials Science.