Forskere finder en ny måde at manipulere magnetisme på

I en banebrydende indsats for at kontrollere, måle og forstå magnetisme på atomniveau, forskere, der arbejder ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har opdaget en ny metode til at manipulere magnetiske materialers nanoskalaegenskaber.

Evnen til at kontrollere disse egenskaber har potentielle anvendelser til at skabe og forbedre den magnetiske hukommelse i elektroniske forbrugere, og udvikling af en følsom detektor for magnetiske nanopartikler.

Opdagelsen fokuserer på en kvantemekanisk egenskab kendt som spin, som giver elektroner et lille magnetfelt. Elektronspin kan pege i en af ​​to retninger, "op" eller "ned, " ligesom det medfølgende magnetfelt. I årenes løb, videnskabsmænd er blevet dygtige til at vende rotationsretningen, og derfor, magnetfeltets retning. Men det nye fund har et nyt twist.

I nogle materialer, såsom kobolt, spins af naboelektroner interagerer, får dem alle til at pege i samme retning. Hvis nogle af spins tvinges væk fra den retning, de trækker nogle af de nærliggende spins med sig. Dette får spins til at gennemgå en gradvis drejning - med eller mod uret. I nogle materialer, spinsene foretrækker kun at vride i én retning.

Et hold ledet af NIST-forsker Samuel Stavis og Andrew Balk, nu på Los Alamos National Laboratory, fundet en måde at styre retningen af ​​denne drejning i en film af kobolt, der kun er tre atomlag tykt. I øvrigt, de kunne indstille denne retning til at være forskellig på forskellige steder på den samme koboltfilm, og gør det uafhængigt af andre magnetiske egenskaber af metallet.

Holdet opnåede denne nye evne ved at kontrollere en effekt kendt som Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), som pålægger spins en foretrukken drejningsretning. DMI forekommer typisk ved grænsen mellem en tynd film af et magnetisk metal og et ikke-magnetisk metallag. Elektronspindene i den magnetiske film interagerer med atomer i den ikke-magnetiske film, skabe et præferencetvist.

Styring af DMI kan øge den magnetiske hukommelse, som bruger orienteringen af ​​spin til at gemme information. En hukommelsesenhed har brug for to adskilte tilstande, repræsenterer enten et et eller et nul - i tilfælde af en magnetisk harddisk, elektroner med spin pegende op eller ned. For at skrive data, designere har brug for en forudsigelig måde at vende fra den ene spin-retning til den anden. Styring af retningen og mængden af ​​drejning kunne tillade, at spin-flip foregik mere effektivt og pålideligt, end hvis drejningen var tilfældig, Balk noter.

Styring af DMI spiller også en nøglerolle i en anden type magnetisk hukommelse. Hvis DMI er stærkt nok, det vil vride nabospin til et cirkulært hvirvelmønster, og potentielt kan skabe eksotiske magnetiske knob kaldet skyrmioner. Disse partikellignende knob kan lagre information, og deres eksistens eller fravær i en magnetisk tynd film kunne virke meget som dem og nuller i elektroniske logiske kredsløb. Ved at regulere DMI, forskere kan skabe skyrmioner, som ville kræve mindre strøm til at fungere end andre typer magnetisk hukommelse, og skal kunne lede deres bevægelse gennem et magnetisk materiale.

Forskerne beskriver deres arbejde i Physical Review Letters.

I deres eksperiment, forskerne lagde en tynd film af kobolt mellem to lag platin, et ikke-magnetisk metal. De bombarderede derefter trelaget med argonioner, som blæste den øverste platinfilm væk og gjorde den øverste grænse mellem platin og kobolt ru, afhængig af ionenergien. Forskerne opdagede, at når de brugte argonioner med højere energi, DMI var negativ, at dreje koboltens spins mod uret, og når de brugte argonioner med lavere energi, DMI var positiv, og ville dreje spins i urets retning. Når de udsættes for argonioner med mellemenergi, DMI var nul, hvilket gør det lige sandsynligt, at spin vil dreje med eller mod uret.

Forskerne gjorde deres opdagelse, mens de tunede de magnetiske egenskaber af en koboltfilm for at udvikle en sensor til magnetiske nanopartikler. Derved, holdet indså, at det havde fundet en ny måde at manipulere DMI på.

Fordi argonioner med forskellige energier kunne rettes mod specifikke områder inden for kobolten, forskerne var i stand til at fremstille koboltfilm, hvis DMI varierede på tværs af materialets overflade.

"Seks årtier efter, at Dzyaloshinskii og Moriya opdagede denne interaktion, vores nye proces til at kontrollere det rumligt, uafhængigt af andre magnetiske egenskaber, vil tillade nye videnskabelige undersøgelser af DMI og muliggøre fremstilling af nye nanomagnetiske enheder, sagde Balk.

Endelig, forskerne fandt ud af, at styring af DMI faktisk gjorde filmen mere følsom over for magnetiske felter fra nanopartikler. På et senere tidspunkt, holdet planlægger at offentliggøre arbejde med at anvende filmen som en nanopartikelsensor for brugere af NIST Center for Nanoscale Science and Technology, hvor arbejdet er udført.