Elektronimpulser manipulerer nanomagneter og lagrer information

Magneter og magnetiske fænomener understøtter langt størstedelen af ​​moderne datalagring, og måleskalaerne for forskning fokuseret på magnetisk adfærd fortsætter med at skrumpe med resten af ​​digital teknologi. Skyrmions, for eksempel, er en slags nanomagnet, består af et spin-korreleret ensemble af elektroner, der fungerer som en topologisk magnet på visse mikroskopiske overflader. De præcise egenskaber, som spin orientering, af sådanne nanomagneter kan lagre information. Men hvordan kan du flytte eller manipulere disse nanomagneter efter behag for at gemme de data, du ønsker?

Ny forskning fra en tysk-amerikansk samarbejde demonstrerer nu en sådan læse-/skriveevne ved hjælp af elektronudbrud, kodning af topologiske energistrukturer robust nok til potentielle datalagringsapplikationer. Som gruppen rapporterer i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , magnetiseringen af ​​disse ensemble-excitationer, eller kvasipartikler, styres ved at skræddersy profilen af ​​elektronimpulserne, varierer enten det samlede antal elektroner eller deres bredde i rummet.

"Værket viser, hvordan magnetisering af nanoskalamagneter kan styres af intense ultrakorte elektronimpulser, " sagde Alexander Schäffer, en doktorand ved Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg i Halle, Tyskland, og hovedforfatter af papiret. "Eksperimenter hos SLAC har allerede demonstreret den ultimative hastighedsgrænse for magnetisk omskiftning med dette skema. Her viser vi, at skræddersyede elektronimpulser hurtigt kan skrive, slet eller skift topologisk beskyttede magnetiske teksturer såsom skyrmioner."

Indtil nu, Schäffer siger, at der kun er få realiserede anvendelser af disse skyrmioner, som er relativt nye på forkant med faststoffysik, men deres egenskaber og de nuværende forskningsmuligheder gør dem modne til næste generations teknologier.

"I traditionen inden for spindynamik i nanostrukturer, Jeg sætter stadig pris på ideen om ikke-flygtige (langsigtede) hukommelsesenheder, som fællesskabet af spintronics også forfølger, " sagde han. "Det gode samspil mellem det matematiske koncept om topologiske energibarrierer og skyrmions fysiske transportegenskaber, som er meget mobile, er de fremragende aspekter for mig."

Ikke kun er disse magnetiske excitationer kontrollerbare, men holdets resultater bekræfter mange af de dynamiske forståelser, som teorien giver. I øvrigt, deres resultater viser potentiale for at opnå lignende topologisk ladningstransskription ved hjælp af laserimpulser, hvis lavere og massefri energi giver en række praktiske fordele.

"Disse kvasipartikler er robuste over for eksterne forstyrrelser, og er derfor normalt svære at manipulere, og har et højt potentiale for applikationer inden for datalagring og computing, " sagde Schäffer. "Jeg var positivt overrasket over den gode overensstemmelse mellem eksperimentet, analyser og numeriske resultater, hvilket gav mig en god følelse i at fortsætte denne vej. Et andet punkt var opdagelsen af, at teksturer kan skrives med meget lavere stråleintensitet ved hjælp af stramt fokuserede elektronimpulser. Dette bringer deres teknologiske udnyttelse inden for rækkevidde, da den påkrævede højenergi-ultrahurtige elektronmikroskopi-opsætning i øjeblikket udvikles hos SLAC og andre steder i hele verden."

Dette vigtige skridt giver sig selv til mange flere i udviklingen fra denne generations banebrydende forskning til næste generations harddiske. Mens de fortsætter med at bygge videre på deres forskning, Schäffer og hans samarbejdspartnere ser hen imod bredere anvendelighed på en række måder.

"Yderligere udvikling i opsætningerne er påkrævet for at kunne skrive skyrmioniske strukturer på udvidede film, hvor vi ikke kan tjene noget på geometriske indeslutninger som i nanodiskene, " sagde Schäffer. "De næste trin er mangfoldige. Selvfølgelig, en eksperimentel erkendelse er det, vi stræber efter sammen med vores eksperimenterende kolleger, især spørgsmålet om, hvor god skift-adfærden mellem forskellige topologiske tilstande kan dækkes af vores beregninger. En komplet simulering af laserbestrålet TEM af magnetiske prøver er et af vores store mål i øjeblikket."