Et kig ind i fremtiden for magnetiske faseovergange

Forskere ved PSI har for første gang observeret, hvordan små magneter i et særligt layout retter sig ind alene som følge af temperaturændringer. Dette syn på processer, der finder sted inden for såkaldt kunstig spin-is, kan spille en vigtig rolle i udviklingen af ​​nye højtydende computere. Resultaterne blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Nature Physics .

Når vand fryser til is, arrangerer vandmolekylerne sig med deres brint- og oxygenatomer i en kompleks struktur. Vand og is er forskellige faser, og omdannelsen fra vand til is kaldes en faseovergang. I laboratoriet kan der fremstilles krystaller, hvor de elementære magnetiske momenter, de såkaldte spins, danner strukturer, der kan sammenlignes med is. Derfor omtaler forskere også disse strukturer som spin ice. "Vi har produceret kunstig spin-is, som i det væsentlige består af nanomagneter, der er så små, at deres orientering kun kan ændre sig som følge af temperaturen," forklarer fysiker Kevin Hofhuis, der netop har afsluttet sin doktorafhandling ved PSI og nu arbejder på Yale University i USA.

I det materiale, forskerne brugte, er nanomagneterne arrangeret i sekskantede strukturer – et mønster, der er kendt fra den japanske kurvefletningskunst under navnet kagome. "Magnetiske faseovergange var teoretisk blevet forudsagt for kunstig kagome spin-is, men de er aldrig blevet observeret før," siger Laura Heyderman, leder af Laboratory for Multiscale Materials Experiments ved PSI og professor ved ETH Zürich. "Detekteringen af ​​faseovergange er kun blevet muliggjort nu takket være brugen af ​​state-of-the-art litografi til at producere materialet i PSI-renrummet samt en speciel mikroskopimetode ved Swiss Light Source SLS." Tidsskriftet Nature Physics offentliggør nu resultaterne af disse eksperimenter.

Tricket:Små magnetiske broer

Til deres prøver brugte forskerne en nikkel-jernforbindelse kaldet permalloy, som blev belagt som en tynd film på et siliciumsubstrat. De brugte en litografiproces til gentagne gange at danne et lille, sekskantet mønster af nanomagneter, hvor hver nanomagnet var cirka en halv mikrometer (milliontedele af en meter) lang og en sjettedel af en mikrometer bred. Men det er ikke alt. "Tricket var, at vi forbandt nanomagneterne med små magnetiske broer," siger Hofhuis. "Det førte til små ændringer i systemet, der gjorde det muligt for os at tune faseovergangen på en sådan måde, at vi kunne observere den. Disse broer skulle dog være rigtig små, for vi ville ikke ændre systemet. for meget."

Fysikeren er stadig forbløffet over, at denne virksomhed faktisk lykkedes. Med skabelsen af ​​nanobroerne skubbede han op mod grænserne for den teknisk mulige rumlige opløsning af nutidens litografimetoder. Nogle af broerne er kun ti nanometer (milliarddele af en meter) på tværs. Størrelsesordenerne i dette eksperiment er faktisk imponerende, siger Hofhuis:"Mens de mindste strukturer på vores prøve er i nanometerområdet, har instrumentet til at afbilde dem - SLS - en omkreds på næsten 300 meter." Heyderman tilføjer:"De strukturer, vi undersøger, er 30 milliarder gange mindre end de instrumenter, vi undersøger dem med."

Mikroskopi og teori

Ved SIM-strålelinjen af ​​SLS brugte holdet en særlig metode kaldet fotoemissionselektronmikroskopi, der gjorde det muligt at observere den magnetiske tilstand af hver enkelt nanomagnet i arrayet. De blev aktivt støttet af Armin Kleibert, videnskabsmanden med ansvar for SIM. "We were able to record a video that shows how the nanomagnets interact with each other as we change the temperature," summarizes Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.

"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Udforsk yderligere

Printing circuits on rare nanomagnets puts a new spin on computing