Kunstnerens tegning af karakteristisk 3D spin tekstur af en magnetisk hopfion. Berkeley Lab-forskere har skabt og observeret 3D-hopfioner. Opdagelsen kunne fremme spintronics-hukommelsesenheder. Kredit:Peter Fischer og Frances Hellman/Berkeley Lab
For et årti siden, opdagelsen af kvasipartikler kaldet magnetiske skyrmioner gav vigtige nye fingerpeg om, hvordan mikroskopiske spin-teksturer vil muliggøre spintronik, en ny klasse af elektronik, der bruger orienteringen af en elektrons spin frem for dens ladning til at kode data.
Men selvom forskere har gjort store fremskridt på dette meget unge område, de forstår stadig ikke helt, hvordan man designer spintronics-materialer, der giver mulighed for ultrasmå, ultrahurtig, enheder med lav effekt. Skyrmions kan virke lovende, men videnskabsmænd har længe behandlet skyrmioner som blot 2D-objekter. Nylige undersøgelser, imidlertid, har antydet, at 2D skyrmions faktisk kunne være opståen af et 3D -spin -mønster kaldet hopfions. Men ingen havde eksperimentelt været i stand til at bevise, at magnetiske hopfioner eksisterer på nanoskala.
Nu, et team af forskere, der ledes af Berkeley Lab, har rapporteret i Naturkommunikation den første demonstration og observation af 3D-hopfioner, der dukker op fra skyrmioner på nanoskala (milliarddele af en meter) i et magnetisk system. Forskerne siger, at deres opdagelse varsler et stort skridt fremad i realiseringen af høj tæthed, høj hastighed, lav strøm, dog ultrastabile magnetiske hukommelsesenheder, der udnytter elektronspinets iboende kraft.
"Vi beviste ikke kun, at komplekse spin-teksturer som 3D-hopfions eksisterer – vi demonstrerede også, hvordan man studerer og derfor udnytter dem, " sagde co-senior forfatter Peter Fischer, en senior videnskabsmand i Berkeley Labs Materials Sciences Division, som også er adjungeret professor i fysik ved UC Santa Cruz. "For at forstå, hvordan hopfions virkelig fungerer, vi skal vide, hvordan man laver dem og studerer dem. Dette arbejde var kun muligt, fordi vi har disse fantastiske værktøjer på Berkeley Lab og vores samarbejdspartnerskaber med videnskabsmænd over hele verden, " han sagde.
Ifølge tidligere undersøgelser, hopfions, i modsætning til skyrmions, glider ikke, når de bevæger sig langs en enhed og er derfor fremragende kandidater til datateknologier. Desuden, teorisamarbejdspartnere i Det Forenede Kongerige havde forudsagt, at hopfions kunne dukke op fra et flerlags 2D magnetisk system.
Den nuværende undersøgelse er den første til at afprøve disse teorier, sagde Fischer.
Ved at bruge nanofabrikationsværktøjer på Berkeley Labs Molecular Foundry, Noah Kent, en ph.d. studerende i fysik ved UC Santa Cruz og i Fischers gruppe på Berkeley Lab, arbejdede sammen med Molecular Foundry -personale for at skære magnetiske nanopiller ud af lag af iridium, kobolt, og platin.
De flerlagede materialer blev udarbejdet af UC Berkeley postdoc Neal Reynolds under supervision af co-senior forfatter Frances Hellman, som har titler som senior fakultetsforsker i Berkeley Labs Materials Sciences Division, og professor i fysik og materialevidenskab og teknik ved UC Berkeley. Hun leder også Department of Energy's Non-Equilibrium Magnetic Materials (NEMM) program, som understøttede denne undersøgelse.
Hopfioner og skyrmioner er kendt for at eksistere side om side i magnetiske materialer, men de har et karakteristisk spin-mønster i tre dimensioner. Så, at skelne dem fra hinanden, forskerne brugte en kombination af to avancerede magnetiske røntgenmikroskopiteknikker - X-PEEM (røntgenfotoemissionselektronmikroskopi) på Berkeley Labs synkrotronbrugerfacilitet, den avancerede lyskilde; og magnetisk blød røntgentransmissionsmikroskopi (MTXM) ved ALBA, et synkrotronlysanlæg i Barcelona, Spanien - for at afbilde de forskellige spin-mønstre af hopfions og skyrmions.
For at bekræfte deres observationer, forskerne udførte derefter detaljerede simuleringer for at efterligne, hvordan 2D skyrmioner inde i en magnetisk enhed udvikler sig til 3D hopfioner i omhyggeligt designede flerlagsstrukturer, og hvordan disse vil fremstå, når de afbildes af polariseret røntgenlys.
"Simuleringer er en meget vigtig del af denne proces, sætter os i stand til at forstå de eksperimentelle billeder og designe strukturer, der understøtter hopfions, skyrmions, eller andre designet 3D-spinstrukturer, " sagde Hellman.
For at forstå, hvordan hopfions i sidste ende vil fungere i en enhed, forskerne planlægger at anvende Berkeley Labs unikke evner og forskningsfaciliteter i verdensklasse-som Fischer beskriver som "afgørende for at udføre sådant tværfagligt arbejde"-for yderligere at undersøge de kviksotiske kvasipartiklers dynamiske adfærd.
"Vi har vidst i lang tid, at spin-teksturer næsten uundgåeligt er tredimensionelle, selv i relativt tynde film, men direkte billeddannelse har været eksperimentelt udfordrende, " sagde Hellman. "Beviserne her er spændende, og det åbner døre for at finde og udforske endnu mere eksotiske og potentielt betydningsfulde 3D -spinstrukturer. "