Bedre nano -billeder drejer vejen til forbedret magnetisk hukommelse

I arbejde, der kunne bidrage til at muliggøre en hurtigere, længerevarende og energibesparende metode til datalagring for forbrugere og virksomheder, forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og deres kolleger har udviklet en teknik til billeddannelse og undersøgelse af en lovende klasse af magnetiske enheder med 10 gange flere detaljer end optiske mikroskoper.

Magnetiske materialer har tiltrukket et stigende antal forskere i jagten på hurtigere at lagre og læse bits af digital information. I et magnetisk system, data er kodet af magnetiseringsretningen:En stangmagnet med sin nordpol pegende opad kan repræsentere den binære kode "0, " mens den samme magnet med sin nordpol pegende nedad kan repræsentere et "1." I modsætning til standard halvleder-computerchip, magnetiske hukommelsesenheder kan gemme information, selvom strømmen er slukket.

Ved at kontrollere, hvornår og hvor hurtigt magnetiseringen kan vendes uden at bruge betydelig elektrisk strøm, forskere håber at kunne forbedre en eksisterende teknologi kaldet Magnetic Random Access Memory, eller MRAM, til et førende værktøj til læsning, skrivning og lagring af information. MRAM er endnu ikke konkurrencedygtig med andre eksisterende metoder til datalagring såsom flash RAM, men giver fordele i forhold til nutidens teknologier såsom reduceret energiforbrug.

For at realisere løftet om MRAM, forskere undersøger den magnetiske struktur i nanometerskala af tynde metalfilm, der har potentialet til at tjene som hukommelsesenheder i MRAM. Hos NIST, Ian Gilbert og hans kolleger har brugt en højopløsnings elektron-billeddannelsesteknik, udviklet af fysiker John Unguris, at undersøge nanostrukturen af ​​magnetiske film før og efter deres magnetisering er vendt.

Teknikken, scannende elektronmikroskopi med polarisationsanalyse (SEMPA), bruger en elektronstråle spredt fra en tynd film til at afsløre nanoskala topografien, fyldt med miniature bakker og dale, af filmens overflade. Elektroner, der udslynges fra overfladen af ​​den indkommende elektronstråle, detekteres også og adskilles i henhold til retningen af ​​deres spin - en kvanteegenskab, der giver de ladede partikler et iboende vinkelmomentum og et lille magnetfelt. Retningen af ​​de udstødte elektroners spins afslører variationer i prøvens magnetiske struktur - ændringer i magnetiseringsretningen - på en skala omkring 10 gange mindre end set med et optisk mikroskop.

SEMPAs evne til at skelne små magnetiske strukturer er afgørende, da ingeniører fremstiller mindre og mindre magnetiske hukommelsesenheder, bemærkede Gilbert. Med SEMPA, "Vi kan se disse virkelig fine teksturer i magnetiseringen, " han sagde.

Gilbert og hans samarbejdspartnere, som omfatter forskere fra NIST og University of Maryland, brugte også elektronspin til at vende magnetiseringen i deres tyndfilmsprøve, en legering af kobolt, jern og bor. Ved at lede en lille elektrisk strøm gennem en underliggende strimmel af en ikke-magnetisk metalfilm, såsom platin, holdet skabte en strøm af elektroner, hvis spin alle peger i samme retning. Når denne strøm af elektroner, kendt som en spinstrøm, passeret gennem den magnetiske tynde film, deres spin udøvede en lille vridningskraft, eller drejningsmoment, på filmens magnetiske områder. Drejningsmomentet var stort nok til at rotere og vende magnetiseringen.

SEMPA-billederne taget før en strøm blev påført afslørede, at retningen af ​​magnetiseringen varierede, på nanoskalaen, på tværs af tyndfilmsprøven. Hvert lille område af prøven har sin egen foretrukne akse, langs hvilken magnetiseringen peger, sagde Gilbert. Holdet rapporterede for nylig sine resultater i journalen Fysisk gennemgang B .

Sådanne variationer i nanoskala af magnetiseringen kan blive afgørende for at dokumentere, sagde Gilbert, for ingeniører, der forsøger at optimere ydeevnen af ​​en magnetisk hukommelsesenhed. Variationen i magnetiseringsretningen kan også påvirke elektronspinets evne til at vende magnetiseringen.

"I stedet for at vende magnetisering op eller ned, spin-strømmen vender magnetiseringen langs hvad dens foretrukne lokale [spin]-akse tilfældigvis er, " bemærker Gilbert. Variationen i magnetiseringsretningen tyder på, at materialer, der bruges til magnetiske hukommelsesenheder, muligvis skal opvarmes forsigtigt, en proces, der justerer magnetiske domæner i nanoskala.

I særskilt arbejde, NIST-forskerne Mark Stiles og Vivek Amin, der har en fælles aftale med University of Maryland, fokus på teorien, der beskriver drejningsmomentet målt i SEMPA-eksperimenterne. der, en strøm af polariserede elektroner genereret i en ikke-magnetisk metalstrimmel interagerer med magnetiseringen af ​​et overliggende materiale. I særdeleshed, holdet har udviklet en model, der kan hjælpe med at bestemme, hvilken gruppe af polariserede elektroner, der spiller den vigtigste rolle i at vende magnetiseringsretningen i tilstødende materiale - dem, der stammer fra overfladen af ​​det ikke-magnetiske materiale eller dem fra det indre.

Svaret kunne vejlede fremstillingen af ​​mere effektive magnetiske hukommelsesenheder. For eksempel, at bestemme, hvilken gruppe elektroner der er de dominerende aktører, kunne foreslå måder at minimere den nødvendige strøm til at vende magnetiseringen, Sagde Stiles.

"Lige nu, vi er i gang med at offentliggøre modellen til eksperimentelister, forsøger at få dem til at bruge det til bedre at forstå deres data, "bemærkede han.