Nanoneedles for at øge kapaciteten og robustheden af ​​digitale hukommelser

Forskere ved UAB, ICMAB og ALBA Synchrotron, i samarbejde med UB og ICN2, har udviklet en ny teknik til lokalt at ændre egenskaberne af et metamagnetisk materiale. Metoden består i at påføre lokalt tryk på materialets overflade ved hjælp af nanometriske nåle og tillader en meget mere nem og lokal modifikation end nuværende metoder. Forskningen åbner døren til en mere præcis og præcis kontrol af magnetiske materialer og gør det muligt at forbedre arkitekturen og kapaciteten af ​​magnetiske digitale hukommelser.

Nogle hukommelsesenheder, hvor informationer fra smartphones og computere lagres, er baseret på en meget præcis kontrol af de magnetiske egenskaber, i nanoskopisk skala. Jo mere præcis denne kontrol er, jo mere lagerkapacitet og hastighed kan de have. I visse tilfælde, kombinationen af ​​ferromagnetisme (hvor magnetismen af ​​alle atomerne i materialet peger i samme retning) og antiferromagnetisme (hvor magnetismen af ​​atomerne i materialet peger skiftevis i modsatte retninger) bruges til at lagre informationen. Et af de materialer, der kan vise disse to arrangementer, er legeringen af ​​jern og rhodium (FeRh), fordi den viser en metamagnetisk overgang mellem disse to faser ved en temperatur meget tæt på stuetemperatur. I særdeleshed, det kan ændre tilstand fra antiferromagnetisk til ferromagnetisk blot ved opvarmning. Den antiferromagnetiske tilstand er mere robust og sikker end den ferromagnetiske, da det ikke let ændres af tilstedeværelsen af ​​magneter i dens nærhed, dvs. et eksternt magnetfelt kan ikke slette informationen let.

Et team af forskere fra UAB, ICMAB, og ALBA Synchrotron, sammen med videnskabsmænd fra UB og ICN2, har brugt mekanisk tryk til at modificere denne overgang og stabilisere den antiferromagnetiske tilstand. Forskerne har observeret, at tryk på overfladen af ​​jern-rhodium-legeringen med en nanometer-størrelse får den magnetiske tilstand til at ændre sig på en enkel og lokaliseret måde. Ved at trykke på forskellige områder af materialet, forskerne har formået at generere antiferromagnetiske nano-øer indlejret i en ferromagnetisk matrix, en meget vanskelig opgave med de nuværende tilgængelige teknikker. Hvis processen gentages over hele overfladen af ​​legeringen, den nye teknik kan inducere denne ændring på tværs af store områder af materialet tegnemønstre med nanoskopisk opløsning med områder med forskellige magnetiske egenskaber, generere strukturer så små som dem, der i øjeblikket kan opnås ved hjælp af mere komplekse metoder.

Forbedring til at miniaturisere magnetiske enheder

Dette er en stor forbedring for at miniaturisere de mønstre, der kan bygges med magnetiske materialer, en forbedring i opløsningen af ​​de værktøjer, som ingeniører bruger til at designe de magnetiske enheder af den teknologi, vi bruger dagligt. "Idéen er meget enkel, " forklarer Ignasi Fina, forsker ved Institut for Materialevidenskab i Barcelona (ICMAB-CSIC), "i faseovergange, alt, hvad du gør ved materialet, har stor indflydelse på de øvrige egenskaber. Vores legering har en magnetisk faseovergang. Med en nål på nanometerstørrelse ændrer vi den magnetiske rækkefølge blot ved at trykke på materialet. Specifikt, det skifter fra ferromagnetisk til antiferromagnetisk. Og da nålen er nanometrisk, ændringen er på nanoskala."

"Den nye teknik baseret på påføring af tryk ved hjælp af nanonåle kan tillade konstruktion af magnetiske nanometriske enheder med meget mindre strukturer og meget mere robuste og sikre end de nuværende, lette fremstillingen af ​​magnetiske hukommelser med forskellige arkitekturer, der forbedrer deres kapacitet, siger ICREA-forsker fra Institut for Fysik ved UAB, Jordi Sort.

Der er andre teknikker baseret på påføring af spænding eller intense magnetiske felter for at øge stabiliteten af ​​den antiferromagnetiske fase af legeringen, men de forårsager store ændringer i hele materialet, som begrænser dens kontrol- og miniaturiseringskapacitet. At påføre pres på en meget lokaliseret måde giver en hidtil uset nøjagtighed, kun påvirker små lokale områder på nanometrisk skala. Når du trykker, legeringens overgangstemperatur stiger, den temperatur, hvor dens tilstand ændres, hvilket involverer ændringen i dens magnetisering.

For at løse de magnetiske ændringer omkring en individuel fordybning på nanoskalaen, arbejdet brugte fotoemissionselektronmikroskopi kombineret med røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme ved CIRCE-PEEM-strålelinien af ​​ALBA-synkrotronen. "Vores synkrotronlysbaserede teknikker gør det muligt at løse ændringerne i en virkelig lille skala, " forklarer Michael Foerster, beamline videnskabsmand ved ALBA.

Ansøgninger på andre områder

De mulige anvendelser går ud over magnetiske materialer. Det faktum at ændre et materiales egenskaber ved at påføre tryk, dvs. ved at ændre cellevolumenet af dens krystallinske struktur, kan ekstrapoleres til andre typer materialer. Forskere mener, at denne teknik åbner døren til en ny måde at nanostrukturere materialers fysiske og funktionelle egenskaber på, og at implementere nye arkitekturer i andre typer ikke-magnetiske nanoenheder og mikroenheder.

Forskningen er blevet fremhævet på forsiden af ​​den seneste udgave af tidsskriftet Materialer Horisonter .