Nyt lagringsmedium bruger fysiske egenskaber af antiferromagnetisk materiale

Brug af kvantesensorer i nanoskala, et internationalt forskerhold har haft held med at udforske visse tidligere ukendte fysiske egenskaber ved et antiferromagnetisk materiale. Baseret på deres resultater, forskerne udviklede et koncept for et nyt lagringsmedie offentliggjort i tidsskriftet Naturfysik . Projektet blev koordineret af forskere fra Institut for Fysik og Swiss Nanoscience Institute ved Basel Universitet.

Antiferromagneter udgør 90 % af alle magnetisk bestilte materialer. I modsætning til ferromagneter såsom jern, hvor atomernes magnetiske momenter er orienteret parallelt med hinanden, orienteringen af ​​de magnetiske momenter i antiferromagneter veksler mellem naboatomer. Som et resultat af annulleringen af ​​de vekslende magnetiske momenter, antiferromagnetiske materialer virker ikke-magnetiske og genererer ikke et eksternt magnetfelt.

Antiferromagneter lover spændende applikationer inden for databehandling, da orienteringen af ​​deres magnetiske moment - i modsætning til de ferromagneter, der bruges i konventionelle lagringsmedier - ikke ved et uheld kan overskrives af magnetiske felter. I de seneste år, dette potentiale har givet anledning til det spirende forskningsfelt for antiferromagnetisk spintronik, som er i fokus for adskillige forskningsgrupper rundt om i verden.

Kvantesensorer giver ny indsigt

I samarbejde med forskningsgrupperne under Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum i Dresden, Tyskland) og professor Denis D. Sheka (Taras Sevchenko National University of Kiev, Ukraine), holdet ledet af professor Patrick Maletinsky i Basel undersøgte en enkelt krystal af chrom(III)oxid (Cr2O3). Denne enkelt krystal er et næsten perfekt ordnet system, hvor atomerne er arrangeret i et regulært krystalgitter med meget få defekter. "Vi kan ændre enkeltkrystallen på en sådan måde, at der skabes to områder (domæner), hvor den antiferromagnetiske orden har forskellige orienteringer, " forklarer Natascha Hedrich, hovedforfatter af undersøgelsen.

Disse to domæner er adskilt af en domænevæg. Til dato, eksperimentelle undersøgelser af domænevægge af denne art i antiferromagneter er kun lykkedes i isolerede tilfælde og med begrænsede detaljer. "Takket være den høje følsomhed og fremragende opløsning af vores kvantesensorer, vi var i stand til eksperimentelt at demonstrere, at domænevæggen udviser adfærd svarende til en sæbebobles, " forklarer Maletinsky. Som en sæbeboble, domænevæggen er elastisk og har en tendens til at minimere dens overfladeenergi. Derfor, dens bane afspejler krystallens antiferromagnetiske materialeegenskaber og kan forudsiges med en høj grad af præcision, som bekræftet af simuleringer udført af forskerne i Dresden.

Overfladearkitektur bestemmer bane

Forskerne udnytter denne kendsgerning til at manipulere domænevæggens bane i en proces, der har nøglen til det foreslåede nye lagringsmedium. Til denne ende, Maletinskys team strukturerer selektivt overfladen af ​​krystallen på nanoskala, efterlader små hævede firkanter. Disse firkanter ændrer derefter domænevæggens bane i krystallen på en kontrolleret måde.

Forskerne kan bruge orienteringen af ​​de hævede firkanter til at dirigere domænevæggen til den ene eller den anden side af firkanten. Dette er det grundlæggende princip bag det nye datalagringskoncept:hvis domænevæggen løber til "højre" for en hævet firkant, dette kunne repræsentere en værdi på 1, mens domænevæggen til "venstre" kunne repræsentere en værdi på 0. Gennem lokaliseret opvarmning med en laser, domænevæggens bane kan ændres gentagne gange, gør lagringsmediet genanvendeligt.

"Næste, vi planlægger at se på, om domænevæggene også kan flyttes ved hjælp af elektriske felter, " Maletinsky forklarer. "Dette ville gøre antiferromagneter velegnede som et lagringsmedium, der er hurtigere end konventionelle ferromagnetiske systemer, samtidig med, at de bruger væsentligt mindre energi."