Særlig varmebehandling forbedrer nyt magnetisk materiale

Skyrmions - små magnetiske hvirvler - betragtes som lovende kandidater til morgendagens informationshukommelsesenheder, som muligvis kan opnå enorm datalagring og behandlingskapacitet. Et forskerhold ledet af Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har udviklet en metode til at dyrke et bestemt magnetisk tyndfilmsmateriale, der er vært for disse magnetiske hvirvler. Et centralt aspekt af denne nye metode er den pludselige opvarmning af materialet med korte, meget lyse lysglimt, som det internationale hold, bestående af forskere fra HZDR, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden (TUD), og kinesiske partnere, beskriver i journalen Avancerede funktionelle materialer .

I 2009, et forskerhold havde gjort en bemærkelsesværdig opdagelse:De fandt ud af, at små magnetiske hvirvler kan dannes i et materiale kaldet mangansilicid - en legering af mangan og silicium. Siden da, disse skyhyrninger, opkaldt efter den britiske fysiker Tony Skyrme, er blevet betragtet som lovende kandidater til fremtidige magnetiske lagerenheder. De kan let dannes på og slettes fra overflader og er ikke større end et par nanometer (milliarder af en meter), hvilket gør dem meget mindre end de magnetiske bits på nutidens harddiske, der måler omkring 50 nanometer.

"Ud over, skyrmions kan målrettes bedre med elektricitet end med magnetfelter, som det gøres med nuværende harddiske, "forklarer Dr. Shengqiang Zhou, en fysiker ved HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Målretning med en elektrisk strøm giver os mulighed for at opnå bedre skalerbarhed, som måske gør os i stand til at bygge meget tættere og hurtigere lagerenheder i fremtiden. "Men der er stadig nogle forhindringer, der skal overvindes undervejs. Blandt andet er silicium og mangan udgør en ugunstig egenskab, når de danner krystaller af mangansilicid:I stedet for konsekvent at producere en specifik, veldefineret fase, de to elementer kan danne mange forskellige krystalfaser. Tynde film af en Mn-Si-legering, kendt som B20 -fasen, er særligt velegnede til dannelse af skyrmions.

Uønskede krystalfaser

Fremstilling af denne legering er alt andet end let, selvom, fordi en anden uønsket krystalfase, kaldet MnSi1.7, uundgåeligt dannes under produktionsprocessen, hæmmer eller forhindrer dannelsen af ​​skyer. Specifikt, lavere temperaturer og langsommere afkøling af materialet favoriserer MnSi1.7. Shengqiang Zhous team har nu udviklet en metode, der forhindrer dets dannelse, efterlader kun tynde lag af fejlfri B20-MnSi.

Kerneelementet i den nye proces er en særlig varmebehandling. ”Det er lidt som at lave en pandekage, "Zhou forklarer." Det smager bedst, når det er sprødt på ydersiden og så blødt som muligt indeni. "Når du hælder dejen i en varm pande, den bager så hurtigt, at indersiden forbliver dejlig blød. Når du bager dejen i ovnen, imidlertid, det varmer meget mere jævnt op og hærder over det hele - og du får en temmelig middelmådig pandekage.

Opvarmning med blink

Så eksperterne brugte denne pandekage -strategi med hurtig, intens opvarmning som deres model. "Når vi meget kortvarmer en tynd manganfilm placeret oven på en siliciumskive, vi introducerer meget lidt energi i materialet, "Zhou forklarer deres begrundelse." Det betyder, at det hurtigt vil køle af - så hurtigt, faktisk, at den uønskede MnSi1.7 ikke får tid til at danne sig. "Udfordringen er, hvordan man hurtigt og kraftigt opvarmer noget på samme tid. Forskergruppen fandt løsningen i lyse, intense blink af hvidt lys.

Sådanne blink kan genereres på "BlitzLab, "et Helmholtz Innovation Lab placeret på Rossendorf -campus. Forskellige serier af målinger bekræftede antagelsen:" Ved at variere blitternes styrke, vi var i stand til at justere forholdet mellem de forskellige krystalfaser med stor præcision, "rapporterer Shengqiang Zhou." Da vi anvendte relativt stærke kræfter, tynde film af ren B20-MnSi dannet som vi havde håbet. "

Som resultat, skyrmions, der kan genereres i disse lag, er nu stabile over en meget bredere temperatur og magnetfeltområde end tidligere observeret i dette materiale. Mangansilicid i sig selv er usandsynligt egnet til praktisk brug, da det kun virker ved meget lave temperaturer. Men det kan tjene som en vigtig model for andre, mere praktiske materialer. "Mange legeringer udgør det problem, at de har forskellige faser, "Forklarer Zhou." Og vores tilgang kan hjælpe med at adskille disse faser i fremtiden. "