Kan kontrolleres hurtigt, små magnetiske bits

For mange moderne tekniske applikationer, såsom superledende tråde til magnetisk resonansbilleddannelse, ingeniører ønsker så meget som muligt at slippe af med elektrisk modstand og dens ledsagende produktion af varme.

Det viser sig, imidlertid, at en smule varmeproduktion fra modstand er en ønskelig egenskab i metalliske tynde film til spintroniske applikationer, f.eks. solid-state computerhukommelse. Tilsvarende mens fejl ofte er uønskede inden for materialevidenskab, de kan bruges til at kontrollere dannelsen af ​​magnetiske kvasipartikler kendt som skyrmioner.

I separate artikler offentliggjort i denne måned i tidsskrifterne Natur nanoteknologi og Avancerede materialer , forskere i gruppen af ​​MIT Professor Geoffrey S.D. Strand og kolleger i Californien, Tyskland, Schweiz, og Korea, viste, at de kan generere stabile og hurtigt bevægelige skyrmions i specielt formulerede lagdelte materialer ved stuetemperatur, sætter verdensrekorder for størrelse og hastighed. Hvert papir blev vist på forsiden af ​​dets respektive tidsskrift.

For forskningen offentliggjort i Avancerede materialer , forskerne skabte en tråd, der stabler 15 gentagende lag af en specielt fremstillet metallegering bestående af platin, som er et heavy metal, kobolt-jern-bor, som er et magnetisk materiale, og magnesium-ilt. I disse lagdelte materialer, grænsefladen mellem platinmetallaget og kobolt-jern-bor skaber et miljø, hvor skyrmioner kan dannes ved at påføre et eksternt magnetfelt vinkelret på filmen og elektriske strømimpulser, der bevæger sig langs ledningens længde.

Især under et felt på 20 milliTesla, et mål for magnetfeltstyrken, tråden danner skyrmions ved stuetemperatur. Ved temperaturer over 349 kelvin (168 grader Fahrenheit), skyrmionerne dannes uden et eksternt magnetfelt, en effekt forårsaget af, at materialet opvarmes, og skyrmions forbliver stabile, selv efter at materialet er afkølet til stuetemperatur. Tidligere har resultater som dette var kun set ved lave temperaturer og med store anvendte magnetfelter, Strand siger.

Forudsigelig struktur

"Efter at have udviklet en række teoretiske værktøjer, vi kan nu ikke kun forudsige den interne skyrmion -struktur og størrelse, men vi kan også lave et reverse engineering -problem, vi kan sige, for eksempel, vi vil have en skyrmion af den størrelse, og vi kan generere flerlaget, eller materialet, parametre, det ville føre til størrelsen af ​​den skyrmion, " siger Ivan Lemesh, første forfatter til Advanced Materials -papiret og en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik ved MIT. Medforfattere inkluderer seniorforfatter Beach og 17 andre.

En grundlæggende egenskab ved elektroner er deres spin, som peger enten op eller ned. En skyrmion er en cirkulær klynge af elektroner, hvis spin er modsat orienteringen af ​​omgivende elektroner, og skyrmionerne holder en retning med eller mod uret.

"Imidlertid, oven i købet, vi har også opdaget, at skyrmions i magnetiske flerlag udvikler en kompleks gennemgående tykkelsesafhængig snoet natur, " sagde Lemesh under en præsentation om sit arbejde på Materials Research Society (MRS) efterårsmøde i Boston den 30. november. Disse resultater blev offentliggjort i en separat teoretisk undersøgelse i Fysisk gennemgang B i september.

Den nuværende forskning viser, at selvom denne snoede struktur af skyrmions har en mindre indvirkning på evnen til at beregne den gennemsnitlige størrelse af skyrmion, det påvirker betydeligt deres nuværende-inducerede adfærd.

Grundlæggende grænser

Til papiret i Nature Nanotechnology, forskerne studerede et andet magnetisk materiale, lagdeling af platin med et magnetisk lag af en gadolinium-koboltlegering, og tantaloxid. I dette materiale, forskerne viste, at de kunne producere skyrmions så små som 10 nanometer og fastslog, at de kunne bevæge sig med en hurtig hastighed i materialet.

"Det, vi opdagede i dette papir, er, at ferromagneter har grundlæggende grænser for størrelsen af ​​den kvasipartikel, du kan lave, og hvor hurtigt du kan drive dem ved hjælp af strømme, "siger første forfatter Lucas Caretta, en kandidatstuderende i materialevidenskab og teknik.

I en ferromagnet, såsom kobolt-jern-bor, nabospins er justeret parallelt med hinanden og udvikler et stærkt retningsbestemt magnetisk moment. For at overvinde de grundlæggende grænser for ferromagneter, forskerne vendte sig til gadolinium-kobolt, som er en ferrimagnet, hvor nabospins veksler op og ned, så de kan annullere hinanden og resultere i et samlet nulmagnetisk moment.

"Man kan konstruere en ferrimagnet således, at nettomagnetiseringen er nul, muliggøre ultralille centrifugeringer, eller indstil det sådan, at nettovinkelmomentet er nul, muliggør ultrahurtige spin-teksturer. Disse egenskaber kan konstrueres ved materialesammensætning eller temperatur, ”Forklarer Caretta.

I 2017, forskere i Beachs gruppe og deres samarbejdspartnere demonstrerede eksperimentelt, at de kunne skabe disse kvasipartikler efter forgodtbefindende på bestemte steder ved at introducere en særlig form for defekt i det magnetiske lag.

"Du kan ændre et materiales egenskaber ved at bruge forskellige lokale teknikker såsom ionbombardement, for eksempel, og ved at gøre det ændrer du dets magnetiske egenskaber, "Lemesh siger, "og så hvis du injicerer en strøm ind i ledningen, skyrmion vil blive født på det sted. "

Tilføjer Caretta:"Det blev oprindeligt opdaget med naturlige defekter i materialet, derefter blev de konstruerede defekter gennem trådens geometri. "

De brugte denne metode til at skabe skyhyrninger i det nye Nature Nanotechnology -papir.

Forskerne lavede billeder af skyrmionerne i kobolt-gadolinium-blandingen ved stuetemperatur ved synkrotroncentre i Tyskland, ved hjælp af røntgenholografi. Felix Büttner, en postdoc i Beach -laboratoriet, var en af ​​udviklerne af denne røntgenholografiteknik. "Det er en af ​​de eneste teknikker, der kan give mulighed for så højt opløste billeder, hvor man tegner skyrmioner af denne størrelse, "Siger Caretta.

Disse skyrmioner er så små som 10 nanometer, som er den nuværende verdensrekord for rumtemperatur skyrmions. Forskerne demonstrerede den nuværende drevne domæne -vægbevægelse på 1,3 kilometer i sekundet, ved hjælp af en mekanisme, der også kan bruges til at flytte skyrmions, som også sætter ny verdensrekord.

Bortset fra synkrotronarbejdet, al forskningen blev udført på MIT. "Vi dyrker materialerne, laver fabrikationen og karakteriserer materialerne her på MIT, "Siger Caretta.

Magnetisk modellering

Disse skyrmioner er en type spin-konfiguration af elektronspin i disse materialer, mens domæne vægge er en anden. Domænevægge er grænsen mellem domæner med modsatrettet spinorientering. Inden for spintronics, disse konfigurationer er kendt som solitons, eller spin teksturer. Da skyrmions er en grundlæggende egenskab ved materialer, matematisk karakterisering af deres dannelses- og bevægelsesenergi involverer et komplekst sæt ligninger, der inkorporerer deres cirkulære størrelse, spin vinkelmomentum, orbital vinkelmoment, elektronisk opladning, magnetisk styrke, lagtykkelse, og flere specielle fysiktermer, der fanger energien fra interaktioner mellem nabospins og tilstødende lag, såsom udvekslingsinteraktionen.

En af disse interaktioner, som kaldes Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), er af særlig betydning for dannelse af skyrmions og stammer fra samspillet mellem elektroner i platinlaget og det magnetiske lag. I interaktionen Dzyaloshinskii-Moriya, spin justeres vinkelret på hinanden, som stabiliserer skyrmion, Siger Lemesh. DMI-interaktionen gør det muligt for disse skyrmioner at være topologiske, giver anledning til fascinerende fysikfænomener, gør dem stabile, og tillader dem at blive flyttet med en strøm.

"Platin i sig selv er det, der giver det, der kaldes en spin -strøm, hvilket er det, der driver spin -teksturerne i bevægelse, " siger Caretta. "Spinstrømmen giver et drejningsmoment på magnetiseringen af ​​ferro- eller ferrimagneten, der støder op til den, og dette drejningsmoment er det, der i sidste ende forårsager bevægelsen af ​​spintekstur. Vi bruger dybest set simple materialer til at realisere komplicerede fænomener ved grænseflader. "

I begge papirer, forskerne udførte en blanding af mikromagnetiske og atomistiske spin -beregninger for at bestemme den energi, der kræves for at danne skyrmions og flytte dem.

"Det viser sig, at ved at ændre brøkdelen af ​​et magnetisk lag, du kan ændre de gennemsnitlige magnetiske egenskaber for hele systemet, så nu behøver vi ikke gå til et andet materiale for at generere andre egenskaber, "Lemesh siger." Du kan bare fortynde det magnetiske lag med et afstandsstykke af forskellig tykkelse, og du vil ende med forskellige magnetiske egenskaber, og det giver dig et uendeligt antal muligheder for at fremstille dit system. "

Præcis kontrol

"Nøjagtig kontrol med at skabe magnetiske skyrmioner er et centralt emne på området, " siger Jiadong Zang, en assisterende professor i fysik ved University of New Hampshire, der ikke var involveret i denne forskning, vedrørende Avancerede materialer papir. "Dette arbejde har præsenteret en ny måde at generere nulfeltskyrmioner via nuværende puls. Dette er bestemt et solidt skridt i retning af skyrmionmanipulationer i nanosekundregimet."

Kommenterer på Natur nanoteknologi rapport, Christopher Marrows, en professor i fysik af kondenseret stof ved University of Leeds i Storbritannien siger:"Det faktum, at skyrmionerne er så små, men kan stabiliseres ved stuetemperatur, gør det meget betydningsfuldt."

Marv, som heller ikke var involveret i denne forskning, bemærkede, at Beach-gruppen havde forudsagt skyrmioner ved stuetemperatur i en Videnskabelige rapporter papir tidligere på året og sagde, at de nye resultater er arbejde af højeste kvalitet. "Men de lavede forudsigelsen, og det virkelige liv lever ikke altid op til teoretiske forventninger, så de fortjener al æren for dette gennembrud, "Siger Marrows.

Zang, kommentere på Natur nanoteknologi papir, tilføjer:"En flaskehals af skyrmion-undersøgelse er at nå en størrelse på mindre end 20 nanometer [størrelsen på den nyeste hukommelsesenhed], og køre dens bevægelse med hastighed ud over en kilometer i sekundet. Begge udfordringer er blevet tacklet i dette skelsættende arbejde.

"En nøgleinnovation er at bruge ferrimagnet, i stedet for almindeligt anvendt ferromagnet, at være vært for skyrmions, " siger Zang. "Dette arbejde stimulerer i høj grad designet af skyrmion-baserede hukommelses- og logikenheder. Dette er helt sikkert et stjernepapir i skyrmion -feltet. "

Racerbanesystemer

Solid-state-enheder bygget på disse skyrmions kunne en dag erstatte nuværende magnetiske lagringsharddiske. Strømme af magnetiske skyrmions kan fungere som bits til computerapplikationer. "I disse materialer, vi kan let mønstre magnetiske spor, "Strand sagde under en præsentation hos MRS.

Disse nye fund kunne anvendes på racerbanens hukommelsesenheder, som blev udviklet af Stuart Parkin hos IBM. En nøgle til konstruktion af disse materialer til brug i racerbaneanordninger er konstruktion af bevidste defekter i materialet, hvor skyrmioner kan dannes, fordi skyrmions dannes, hvor der er defekter i materialet.

"Man kan konstruere ved at sætte hak i denne type system, " sagde Beach, som også er meddirektør for Materials Research Laboratory (MRL) ved MIT. En strømpuls, der injiceres i materialet, danner skyrmions med et hak. "Den samme aktuelle puls kan bruges til at skrive og slette, " sagde han. Disse skyrmioner dannes ekstremt hurtigt, på under en milliarddel af et sekund, Beach siger.

Caretta siger:"For at kunne have en praktisk betjeningslogik eller hukommelsesbaneanordning, du er nødt til at skrive lidt, så det er det, vi taler om, når vi skaber den magnetiske kvasipartikel, og du skal sørge for, at den skrevne bit er meget lille, og du skal oversætte den bit gennem materialet med en meget hurtig hastighed, "Siger Caretta.

Marv, Leeds -professoren, tilføjer:"Anvendelser i skyrmion-baseret spintronics, vil gavne, selvom det igen er lidt tidligt at sige med sikkerhed, hvad der bliver vinderne blandt de forskellige forslag, som inkluderer minder, logiske enheder, oscillatorer og neuromorfe enheder, "

En tilbageværende udfordring er den bedste måde at læse disse skyrmion -bits på. Arbejdet i Beach -gruppen fortsætter på dette område, Lemesh siger, bemærker, at den aktuelle udfordring er at finde en måde at detektere disse skyrmioner elektrisk for at bruge dem i computere eller telefoner.

"Ja, så du ikke behøver at tage din telefon til en synkrotron for at læse lidt, "Caretta siger." Som et resultat af noget af arbejdet med ferrimagneter og lignende systemer kaldet anti-ferromagneter, Jeg tror, ​​at størstedelen af ​​feltet faktisk vil begynde at skifte mod disse typer materialer på grund af det enorme løfte, de holder. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.