Forskere finder ordnede magnetiske mønstre i uordnet magnetisk materiale

Et team af forskere, der arbejder ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), har bekræftet en særlig ejendom kendt som "chiralitet-som potentielt kan udnyttes til at overføre og lagre data på en ny måde-i nanometer tykke prøver af flerlag materialer, der har en uorden struktur.

Mens de fleste elektroniske enheder er afhængige af strømmen af ​​elektronernes ladning, det videnskabelige samfund søger febrilsk efter nye måder at revolutionere elektronik på ved at designe materialer og metoder til at kontrollere andre iboende elektronegenskaber, såsom deres kredsløb omkring atomer og deres spin, som kan betragtes som en kompassnål, der er indstillet til ansigt i forskellige retninger.

Disse egenskaber, videnskabsfolk håber, kan aktivere hurtigere, mindre, og mere pålidelig datalagring ved at lette spintronics - en facet heraf er brugen af ​​spinstrøm til at manipulere domæner og domæne vægge. Spintronics-drevne enheder kunne generere mindre varme og kræve mindre strøm end konventionelle enheder.

I den seneste undersøgelse, detaljeret i 23. maj online-udgaven af ​​tidsskriftet Avancerede materialer , forskere, der arbejder på Berkeley Labs Molecular Foundry og Advanced Light Source (ALS), bekræftede en kiralitet, eller håndethed, i overgangsregionerne - kaldet domænevægge - mellem nabomagnetiske domæner, der har modsatte spins.

Forskere håber på at kontrollere chiralitet - analogt med højrehåndethed eller venstrehåndethed - for at kontrollere magnetiske domæner og formidle nuller og enere som i konventionel computerhukommelse.

Prøverne var sammensat af en amorf legering af gadolinium og kobolt, klemt mellem ultratynde lag af platin og iridium, som vides at påvirke nabospins stærkt.

Moderne computerkredsløb bruger almindeligvis siliciumwafers baseret på en krystallinsk form for silicium, som har en regelmæssigt bestilt struktur. I denne seneste undersøgelse, materialeprøverne, der blev brugt i eksperimenter, var amorfe, eller ikke -krystallinsk, hvilket betyder, at deres atomstruktur var uorden.

Eksperimenter afslørede en dominerende chiralitet i de magnetiske egenskaber ved disse domænevægge, der muligvis kunne vendes til dens modsætning. En sådan vendemekanisme er en kritisk muliggørende teknologi for spintronik og forskellige forskningsområder, der er baseret på elektronens spin-egenskab.

Videnskabsteamet arbejdede med at identificere den rigtige tykkelse, koncentration, og lagdeling af elementer, og andre faktorer for at optimere denne chirale effekt.

"Nu har vi bevis for, at vi kan have chiral magnetisme i amorfe tynde film, som ingen før havde vist, " sagde Robert Streubel, undersøgelsens hovedforfatter og en postdoc-forsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division. Forsøgenes succes, han sagde, åbner muligheden for at kontrollere nogle egenskaber ved domænevægge, såsom kiralitet, med temperatur, og om at skifte et materiales chirale egenskaber med lys.

Amorfe materialer, trods deres uordnede struktur, kunne også fremstilles for at overvinde nogle af begrænsningerne for krystallinske materialer til spintronikapplikationer, Bemærkede Streubel. "Vi ville undersøge disse mere komplekse materialer, der er lettere at lave, især til industrielle applikationer. "

Forskergruppen fik en unik, højopløsnings elektronmikroskopiteknik på Berkeley Labs Molecular Foundry, og udførte eksperimenterne i en såkaldt Lorentz-observationstilstand for at afbilde materialeprøvernes magnetiske egenskaber. De kombinerede disse resultater med resultaterne af en røntgenteknik ved ALS kendt som magnetisk cirkulær dikroismespektroskopi for at bekræfte den nanoskala magnetiske chiralitet i prøverne.

Lorentz-mikroskopiteknikken, der blev anvendt på Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy, gav den opløsning på ti-nanometer, der kræves for at løse de magnetiske domæneegenskaber kendt som spin-teksturer.

"Denne høje rumlige opløsning ved dette instrument tillod os at se kiraliteten i domænevæggene - og vi kiggede gennem hele stakken af ​​materialer, "sagde Peter Fischer, en medleder af undersøgelsen og en seniormedarbejder i laboratoriets afdeling for materialevidenskab.

Fischer bemærkede, at den stadig mere præcise, eksperimentelle teknikker med høj opløsning - som bruger elektronstråler og røntgenstråler, for eksempel-lad nu forskere udforske komplekse materialer, der mangler en veldefineret struktur.

"Vi leder nu efter nye typer sonder, " han sagde, der borer ned til stadig mindre skalaer. "Nye egenskaber og opdagelser kan ganske ofte forekomme ved materialegrænseflader, derfor spørger vi:Hvad sker der, når du lægger et lag ved siden af ​​et andet? Og hvordan påvirker det spin -teksturerne, hvilke er et materiales magnetiske landskaber af spin-orientering?"

Det ultimative forskningsværktøj, Fischer sagde, som er i horisonten med den næste generation af elektron- og røntgensonder, ville give forskere evnen til at se direkte, ved atomopløsning, den magnetiske omskiftning, der forekommer i et materiales grænseflader på femtosekund (kvadrilliondeler af et sekund) tidsskalaer.

"Vores næste trin er derfor at gå ind i dynamikken i chiraliteten af ​​disse domænevægge i et amorft system:at forestille disse domænevægge, mens de bevæger sig, og for at se, hvordan atomer samles, " han sagde.

Streubel tilføjede, "Det var virkelig en dybtgående undersøgelse af næsten alle aspekter, der var nødvendig. Hvert stykke i sig selv stillede udfordringer." Lorentz-mikroskopiresultaterne blev indført i en matematisk algoritme, tilpasset af Streubel, at identificere domænevægstyper og kiralitet. En anden udfordring var at optimere prøvevæksten for at opnå de chirale effekter ved hjælp af en konventionel teknik kendt som sputtering.

Algoritmen, og de eksperimentelle teknikker, kan nu anvendes på et helt sæt prøvematerialer i fremtidige undersøgelser, og "bør generaliseres til forskellige materialer til forskellige formål, " han sagde.

Forskergruppen håber også, at deres arbejde kan hjælpe med at drive F&U relateret til spin -orbitronik, hvor "topologisk beskyttede" (stabile og modstandsdygtige) spin -teksturer kaldet skyrmions potentielt kan erstatte spredning af bittesmå domænevægge i et materiale og føre til mindre og hurtigere computerenheder med lavere strømforbrug end konventionelle enheder.