Et kompas, der peger mod vest

Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og ETH Zürich har opdaget et særligt fænomen med magnetisme i nanoområdet. Det gør det muligt at samle magneter i usædvanlige konfigurationer. Dette kunne bruges til at bygge computerhukommelser og switches for at øge ydeevnen af ​​mikroprocessorer. Resultaterne af dette arbejde er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Videnskab .

Magneter er kendetegnet ved, at de har en nordpol og en sydpol. Hvis to fælles magneter holdes tæt på hinanden, modsatte poler tiltrækker og ligesom poler frastøder hinanden. Det er derfor magnetiske nåle, som dem, der findes i et kompas, rette sig ind i Jordens magnetfelt, så vi kan bruge dem til at bestemme kardinalretningerne nord og syd og, afledt af dette, Øst og Vest. I den verden, vi oplever hver dag med vores sanser, denne regel er korrekt. Imidlertid, hvis du forlader den makroskopiske verden og dykker ned i dybder af meget mindre dimensioner, dette ændrer sig. Forskere ved Paul Scherrer Institute PSI og ETH Zürich har nu opdaget en meget speciel magnetisk interaktion på niveau med nanoskopiske strukturer lavet af magnetiske lag, der kun er få atomer tykke.

Atomerne fungerer som små kompasnåle og udfolder deres virkning over små afstande i nanometerområdet, betyder nogle få milliontedele af en millimeter. Derfor kalder forskerne dem også for nanomagneter.

Det fænomen, som forskere ved PSI nu har kunnet observere, er baseret på et samspil, som de to fysikere Igor Dzyaloshinskii og Toru Mariya forudsagde for mere end 60 år siden. "Det var vores udgangspunkt", siger Zhaochu Luo, fysiker ved PSI og ETH Zürich.

Nord-vest og sydøst kobling af atomer

I denne interaktion, atomkompasnålene flugter ikke kun i nord-syd-retning, men også i øst-vestlig retning. "Hvor de peger afhænger af, hvordan atomerne i deres nabolag orienterer sig", siger Zhaochu Luo, første forfatter til undersøgelsen. For eksempel, hvis en gruppe atomer peger mod nord, nabogruppen peger altid mod vest. Og hvis en gruppe atomer peger mod syd, så orienterer naboatomerne sig mod øst.

Disse orienteringer kan vendes af magnetiske felter eller elektriske strømme, det er fra nord til syd og omvendt. De tilstødende atomgrupper reorienterer sig derefter i overensstemmelse hermed, enten fra vest til øst eller omvendt.

Forskerne opdagede koblingen mellem nordvest og sydøst orientering ved hjælp af et lag af koboltatomer, der kun var 1,6 nanometer tykt, som var klemt mellem et platinlag på den ene side og et aluminiumoxidlag på den anden. "Udviklingen af ​​disse specielle lag til vores eksperimenter alene tog omkring et halvt år", siger Zhaochu Luo. Han arbejder i forskningsgruppen Mesoscopic Systems på PSI ledet af Laura Heyderman, som også er professor ved ETH Zürich.

Hvad der er usædvanligt er, at denne interaktion finder sted sideværts, det er i ét plan. Tidligere, sammenlignelige koblinger mellem nanomagneter kunne kun detekteres vertikalt, med grupper af atomer placeret over hinanden.

Fænomenet observeret i fællesskab af PSI og ETH Zürich forskere muliggør udviklingen af ​​plane magnetiske netværk. Blandt andet, syntetiske antiferromagneter kan fremstilles. I disse antiferromagneter, atomgrupper peger enten mod nord eller syd med jævne mellemrum. Antallet af modstående nanomagneter er omtrent det samme, så de neutraliserer hinanden i sum. Det er derfor, ved første øjekast, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.

The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. Dette gør det muligt, for eksempel, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.

Logical gates for computers

The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.

According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Videnskab .