Informationslagring med et twist i nanoskala

Hvirvlende genstande kendt som magnetiske hvirvler og skyrmioner kan miniaturiseres uden at ofre mobilitet, et KAUST-ledet internationalt forskerhold har fundet. Disse resultater er relevante for fremtidige "race-track" hukommelsesteknologier, der har massive tætheder af bevægelige magnetiske bits.

I nanometertynde magnetiske film, såsom jern-nikkel legeringer, regionen, der adskiller to magnetiske domæner eller defekter, kan antage bittesmå hvirvel-lignende mønstre. Nogle af disse mønstre, kaldet skyrmioner, modstå at trævle ud, selv når den er pakket tæt sammen, og de kan også ledes med små elektriske strømme. Disse funktioner har gjort skyrmions attraktive mål for forskning i hukommelsesenheder med høj kapacitet. Et koncept lyner skyrmioner rundt om en løkke og derefter forbi et stationært læse/skrivehoved for at eliminere behovet for mekaniske komponenter, der bruges i nutidens harddiske.

Aurelien Manchon, en lektor i materialevidenskab og teknik ved universitetet, bemærker, at en af ​​hovedårsagerne til skyrmions tiltrækningskraft er deres evne til at undgå defekter eller ujævne pletter i tynde film, der normalt ville fange eller "stifte" en magnetisk ladning. Imidlertid, denne smidighed kompromitteres, når forskere forsøger at krympe skyrmioner til den mindst mulige størrelse - jo mindre de bliver, desto større er sandsynligheden for, at de bliver fastklemt på grund af den relative stigning i dimensioner på defektstedet.

For at forbedre disse enheder, Manchon og internationale samarbejdspartnere forsøgte at forstå den grundlæggende momentumoverførsel mellem ladningsstrømme og magnetiske hvirvler.

Ved at bruge intense røntgenstråler genereret ved Berkeley Universitys avancerede lyskilde, holdet fangede tidsopløste billeder af hvirvelmønstre kaldet magnetiske hvirvler, mens de svirrede langs en nanometer bred halvringbane. Ved at udpege hvirvelkernens position fra billedsekvensen, de opnåede nøjagtige data om en parameter, kendt som det ikke-adiabatiske spin-overførselsmoment, hvilket er afgørende for elektriske manipulationer.

Overraskende nok, det målte ikke-adiabatiske drejningsmoment var langt større end værdier forudsagt af eksisterende modeller. For at tage højde for denne uoverensstemmelse, en teoretisk analyse af Manchon viste, at den ekstra drejning blev leveret af en anden kraft - den nye Hall-effekt, som opstår, når elektroner bevæger sig gennem en magnetisk hvirvel.

"I en nøddeskal, elektroner oplever en kraft, der skubber dem sidelæns, men det kommer ikke fra selve den lokale magnetisering; i stedet opstår det fra topologien af ​​den magnetiske tekstur, " forklarede Manchon. "Denne effekt producerer en ekstra spin-polariseret strøm, der udøver et drejningsmoment på whirlpoolen."

Forskerne fandt ud af, at det yderligere ikke-adiabatiske drejningsmoment forstærkes, når størrelsen af ​​spabadet reduceres - en drivkraft, der kan tilbyde en måde at overvinde defekt-pinning på nanoskala. "Dette kunne være et interessant kompromis at søge, især i forbindelse med skyrmion-baseret datalagring, " tilføjede Manchon.