Indviklet magnetisk konfiguration af 3-D nanoskala gyroide netværk afsløret

Et multinationalt team af forskere fra Tohoku University og institutioner i Storbritannien, Tyskland og Schweiz har afsløret de magnetiske tilstande af nanoskala gyroider, 3-D chirale netværkslignende nanostrukturer. Resultaterne tilføjer et nyt kandidatsystem til forskning i ukonventionel informationsbehandling og nye fænomener, der er relevante for spintronik.

Arrays af interagerende nanostrukturer giver mulighed for at realisere hidtil usete materialeegenskaber, da interaktioner kan give anledning til nye, "emergent" fænomener. I magnetisme, sådanne emergent fænomener er indtil videre kun blevet påvist i 2-D, i kunstige spin-is og magnoniske krystaller. Imidlertid, fremskridt i retning af at realisere magnetiske "metamaterialer, " som kunne danne grundlag for avancerede spintroniske enheder ved at vise nye effekter i 3-D, har været hæmmet af to forhindringer. Den første er behovet for at fremstille komplekse 3-D byggeklodser ved dimensioner mindre end 100 nm (sammenlignelig med iboende magnetiske længdeskalaer), og den anden er udfordringen med at visualisere deres magnetiske konfigurationer.

Forskerholdet besluttede derfor at studere magnetiske gyroider i nanoskala, 3-D netværk sammensat af 3 forbundne hjørner defineret af treklanger af buede nanotrådslignende stivere (figur 1). Gyroider har tiltrukket sig stor interesse, da de på trods af deres kompleksitet kan samles selv fra en omhyggeligt formuleret kombination af polymerer, som kan bruges som en 3-D form eller skabelon til at danne fritstående nanostrukturer (figur 2). Når stiverne forbindes for at danne spiraler, gyroider har en "handedness" eller chiralitet, og deres form gør magnetiske gyroider til ideelle systemer til at teste forudsigelser af nye magnetiske egenskaber, der opstår fra krumning. Målinger af gyroiders optiske egenskaber viste endda, at gyroider kan have topologiske egenskaber, som sammen med chirale effekter i øjeblikket er genstand for intens undersøgelse for at udvikle nye klasser af spintroniske enheder. Imidlertid, de magnetiske tilstande, der kunne eksistere i gyroider, var endnu ikke blevet etableret, fører til denne undersøgelse.

Forskerne producerede Ni ₇₅ Fe ₂₅ enkelt-gyroide og dobbelt-gyroide (dannet af et spejlbillede par af enkelt-gyroider) nanostrukturer med 11 nm diameter stivere og en 42 nm enhedscelle, via blok co-polymer skabelon og elektroaflejring. Disse dimensioner er sammenlignelige med domænevægsbredder og spin-bølgelængder i Ni-Fe. De afbildede derefter gyroid-nanopartiklerne med off-akse elektronholografi, som kunne kortlægge magnetiseringen og omstrejfende magnetfeltmønstre i og omkring gyroidernes stivere med nanometer rumlig opløsning. Analyse af mønstrene ved hjælp af finite-element mikromagnetiske simuleringer afslørede en meget indviklet magnetisk tilstand, som generelt er ferromagnetisk, men uden en unik ligevægtskonfiguration (figur 3), antyder, at en magnetisk gyroidea kan antage et stort antal stabile tilstande.

"Disse resultater fastslår magnetiske gyroider som en kandidat af interesse til applikationer som reservoirberegning og spin-bølgelogik, " sagde hovedforfatter Justin Llandro." Forskningen tager et spændende første skridt hen imod 3-D nanoskala magnetiske metamaterialer, som kan bruges til at afdække nye nye effekter og fremme både fundamental og anvendt spintronikforskning."