Spintronics:En ny vej til hvirvlende spin-teksturer ved stuetemperatur

I nogle materialer danner spins komplekse magnetiske strukturer inden for nanometer- og mikrometerskalaen, hvor magnetiseringsretningen drejer og krøller langs bestemte retninger. Eksempler på sådanne strukturer er magnetiske bobler, skyrmioner og magnetiske hvirvler.

Spintronics sigter mod at gøre brug af sådanne bittesmå magnetiske strukturer til at lagre data eller udføre logiske operationer med meget lavt strømforbrug sammenlignet med nutidens dominerende mikroelektroniske komponenter. Generering og stabilisering af de fleste af disse magnetiske teksturer er imidlertid begrænset til nogle få materialer og kan opnås under meget specifikke forhold (temperatur, magnetfelt osv.).

Et internationalt samarbejde ledet af HZB-fysiker Dr. Sergio Valencia har nu undersøgt en ny tilgang, der kan bruges til at skabe og stabilisere komplekse spin-teksturer, såsom radiale hvirvler, i en række forskellige forbindelser. I en radial hvirvel peger magnetiseringen mod eller væk fra midten af ​​strukturen. Denne type magnetisk konfiguration er normalt meget ustabil.

Inden for denne nye tilgang skabes radiale hvirvler ved hjælp af superledende strukturer, mens tilstedeværelsen af ​​overfladedefekter opnår deres stabilisering.

Superledende YBCO-øer

Prøver består af mikrometerstore øer lavet af højtemperatur-superlederen YBCO, hvorpå en ferromagnetisk forbindelse er aflejret. Ved afkøling af prøven til under 92 Kelvin (-181 °C), går YBCO i den superledende tilstand.

I denne tilstand påføres et eksternt magnetfelt og fjernes straks. Denne proces tillader indtrængning og fastgørelse af magnetiske flux-kvanter, som igen skaber et magnetisk strejffelt.

Det er dette herreløse felt, der producerer nye magnetiske mikrostrukturer i det overliggende ferromagnetiske lag:spins udgår radialt fra strukturcentret, som i en radial hvirvel.

Defekters rolle

Når temperaturen øges, går YBCO fra den superledende til en normal tilstand. Så det herreløse felt skabt af YBCO-øer forsvinder, og det samme burde den magnetiske radiale hvirvel. Imidlertid har HZB-forskere og samarbejdspartnere observeret, at tilstedeværelsen af ​​overfladedefekter forhindrer dette i at ske:De radiale hvirvler bevarer delvist den påtrykte tilstand, selv når de nærmer sig stuetemperatur.

"Vi bruger det magnetiske felt, der genereres af de superledende strukturer til at præge visse magnetiske domæner på de ferromagneter, der er placeret på dem, og overfladedefekterne til at stabilisere dem. De magnetiske strukturer er beslægtet med en skyrmion og er interessante til spintroniske applikationer," forklarer Valencia. .

Geometri betyder noget

Mindre prægede hvirvler var omkring 2 mikrometer i diameter, omkring 10 gange størrelsen af ​​typiske skyrmioner. Holdet undersøgte prøver med cirkulære og kvadratiske geometrier og fandt ud af, at cirkulære geometrier øgede stabiliteten af ​​påtrykte magnetiske radiale hvirvler.

"Dette er en ny måde at skabe og stabilisere sådanne strukturer på, og den kan anvendes i en række forskellige ferromagnetiske materialer. Disse er gode nye udsigter for den videre udvikling af superledende spintronik," siger Valencia.

Undersøgelsen er publiceret i tidsskriftet ACS Applied Materials &Interfaces .

Flere oplysninger: David Sanchez-Manzano et al., Størrelsesafhængighed og højtemperaturstabilitet af magnetiske radiale hvirvelstrukturer præget af Superconductor Stray Fields, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c17671

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Helmholtz Association of German Research Centres