Ionstråler baner vej for nye slags ventiler til brug i spintronik

Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har testet en ny tilgang til fremstilling af spinventiler. Ved hjælp af ionstråler, det er lykkedes forskerne at strukturere en jern-aluminiumslegering på en sådan måde, at materialet opdeles i individuelt magnetiserbare områder på nanometerskalaen. Den forberedte legering er således i stand til at fungere som en spin-ventil, som er af stor interesse som kandidatkomponent til brug i spintronics. Ikke alene bruger denne teknologi elektronladning til informationslagring og -behandling, det trækker også på dets iboende magnetiske egenskaber (dvs. dens spin). Spintronics rummer et stort potentiale for magnetiske lagringsmedier. For eksempel, med magnetiske random access memory kan en computers tidskrævende opstartsfase ophøre med at være et problem – da den i så fald ville være operationel, så snart den tændes.

Typisk, en spin-ventil består af successive ikke-magnetiske og ferromagnetiske lag. Denne lagdeling er en meget involveret proces, og det er en stor udfordring at få disse komponenter til at forbinde pålideligt. Det er derfor, HZDR-forsker Dr. Rantej Bali og hans kolleger har en helt anden tilgang. "Vi har bygget strukturer med lateral spin-ventilgeometri, hvor de forskellige magnetiske områder er organiseret ved siden af ​​hinanden i modsætning til i lag oven på hinanden, " forklarer Bali. Tanken bag denne nye geometri er at gøre det lettere at arbejde parallelt på større overflader, samtidig med at fremstillingsomkostningerne holdes lave.

Først, forskerne udglødede et tyndt lag af en jernaluminiumslegering (Fe60Al40) ved 500 grader C. Dette resulterede i dannelsen af ​​en meget velordnet struktur, hvor hvert andet atomlag udelukkende bestod af jernatomer. Ifølge forskernes forventninger dette stof opførte sig som et paramagnetisk materiale – med andre ord, de magnetiske momenter blev uordnede. Efter dette, forskerne beklædte legeringen med en beskyttende polymerresist, så der blev dannet et stribet mønster på overfladen. De resist-frie områder var skiftevis 2 og 0,5 mikrometer brede, og afgørende, blev adskilt fra hinanden med 40 nanometer brede strimler af resist.

Næste, materialet blev bestrålet med neonioner på HZDR's Ion Beam Center – med vigtige konsekvenser. Forskerne var i stand til at påvise, at det bestrålede materiale udviser meget interessante egenskaber. Under de beskyttende resiststrimler, materialet forbliver paramagnetisk, mens de modstandsfrie smalle og brede striber faktisk bliver ferromagnetiske. "En spin-ventil skiftes via magnetfeltet. Ændring af spins' justering - parallel eller antiparallel - ændrer den elektriske modstand. Vi er interesserede i størrelsen af ​​effekten, " siger Bali. Et eksternt påført magnetfelt justerer spindene inden for disse områder. Afhængigt af magnetfeltets styrke, de kan justeres til at køre parallelt eller antiparallelt. Denne magnetisering er permanent og går ikke tabt, hvis det ydre felt er slået fra.

Årsagen til denne adfærd ligger i, at ionstrålen ændrer legeringens struktur. "Ionerne ødelægger jernlagenes højt ordnede struktur. De slår atomerne ud af position og andre atomer tager deres plads, og, som resultat, jern- og aluminiumatomerne bliver tilfældigt fordelt, " forklarer Sebastian Wintz, en ph.d. studerende, der var en del af holdet af forskere. En lille dosis ioner er nok til at spille dette tagspil på atomniveau. Wintz karakteriserer processen som følger:"Det er en kaskade, virkelig. En enkelt ion er i stand til at fortrænge op til 100 atomer." Områderne under polymeren modstår striber, på den anden side, er uigennemtrængelige for ionerne - derfor forbliver disse områder paramagnetiske og adskiller de ferromagnetiske striber.

Samarbejde med Helmholtz Center Berlin I tæt samarbejde med forskere ved Helmholtz Center Berlin (HZB), HZDR-forskerne var i stand til at visualisere materialets magnetiske struktur ved hjælp af det specielle SPEEM (spin-resolved photoemission microscope) ved HZB's BESSY II synkrotron. De mikroskopiske billeder viste eksistensen af ​​områder med paramagnetisk og ferromagnetisk orden, hvilket demonstrerer det høje niveau af rumlig opløsning, der kan realiseres ved struktureringsprocessen ved hjælp af ionstråler.

Yderligere eksperimenter vil give Rantej Bali og hans kolleger mulighed for at undersøge egenskaberne af disse magnetisk strukturerede materialer. Forskerne forsøger også at finde ud af grænserne for miniaturisering af magnetiske nanostrukturer.