Een team van wetenschappers onder leiding van universitair hoofddocent Yang Hyunsoo van de afdeling Electrical and Computer Engineering aan de faculteit Ingenieurswetenschappen van de National University of Singapore (NUS) heeft een nieuwe ultradunne meerlaagse film uitgevonden die de eigenschappen van kleine magnetische wervelingen kan benutten, bekend als skyrmions, als informatiedragers voor het opslaan en verwerken van gegevens op magnetische dragers.

De dunne film van nanoformaat, die is ontwikkeld in samenwerking met onderzoekers van Brookhaven National Laboratory, Stony Brook-universiteit, en Louisiana State University, is een cruciale stap in de richting van het ontwerp van apparaten voor gegevensopslag die minder stroom verbruiken en sneller werken dan bestaande geheugentechnologieën. De uitvinding werd gerapporteerd in het prestigieuze wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie op 10 maart 2017.

Kleine magnetische wervelingen met enorm potentieel als informatiedragers

De digitale transformatie heeft geleid tot een steeds grotere vraag naar een betere verwerking en opslag van grote hoeveelheden gegevens, evenals verbeteringen in de technologie van de harde schijf. Sinds hun ontdekking in magnetische materialen in 2009 skyrmions, die kleine wervelende magnetische texturen zijn van slechts enkele nanometers groot, zijn uitgebreid bestudeerd als mogelijke informatiedragers in de volgende generatie gegevensopslag en logische apparaten.

Van Skyrmionen is aangetoond dat ze bestaan ​​in gelaagde systemen, met een zwaar metaal onder een ferromagnetisch materiaal. Door de interactie tussen de verschillende materialen, een grensvlaksymmetrie die interactie verbreekt, bekend als de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI), is gevormd, en dit helpt om een ​​skyrmion te stabiliseren. Echter, zonder aanwezig magnetisch veld buiten het vlak, de stabiliteit van het skyrmion wordt aangetast. In aanvulling, vanwege zijn kleine formaat, het is moeilijk om de materialen van nanoformaat in beeld te brengen.

Om deze beperkingen aan te pakken, de onderzoekers werkten aan het creëren van stabiele magnetische skyrmionen bij kamertemperatuur zonder de noodzaak van een vooringenomen magnetisch veld.

Uniek materiaal voor gegevensopslag

Het NUS-team, die ook bestaat uit dr. Shawn Pollard en mevrouw Yu Jiawei van de NUS-afdeling Electrical and Computer Engineering, ontdekte dat een grote DMI kon worden gehandhaafd in meerlagige films bestaande uit kobalt en palladium, en dit is groot genoeg om skyrmion spin-texturen te stabiliseren.

Om de magnetische structuur van deze films in beeld te brengen, de NUS-onderzoekers, in samenwerking met Brookhaven National Laboratory in de Verenigde Staten, gebruikte Lorentz transmissie-elektronenmicroscopie (L-TEM). L-TEM kan magnetische structuren kleiner dan 10 nanometer in beeld brengen, maar het is niet eerder gebruikt om skyrmionen in meerlaagse geometrieën te observeren, omdat werd voorspeld dat het een nulsignaal zou vertonen. Echter, bij het uitvoeren van de experimenten, de onderzoekers ontdekten dat door de films te kantelen ten opzichte van de elektronenstraal, ze ontdekten dat ze een duidelijk contrast konden krijgen dat consistent was met dat wat verwacht werd voor skyrmions, met afmetingen kleiner dan 100 nanometer.

Dr Pollard legde uit, "Er is lang aangenomen dat er geen DMI is in een symmetrische structuur zoals die in ons werk, Vandaar, er zal geen skyrmion zijn. Het is echt onverwacht voor ons om zowel grote DMI als skyrmionen te vinden in de meerlaagse film die we hebben ontwikkeld. Bovendien, deze skyrmionen op nanoschaal bleven bestaan, zelfs na het verwijderen van een extern vooringenomen magnetisch veld, die de eerste in hun soort zijn."

Assoc Prof Yang heeft toegevoegd, "Dit experiment toont niet alleen het nut van L-TEM aan bij het bestuderen van deze systemen, maar opent ook een volledig nieuw materiaal waarin skyrmionen kunnen worden gecreëerd. Zonder de noodzaak van een vooringenomen veld, het ontwerp en de implementatie van op skyrmion gebaseerde apparaten zijn aanzienlijk vereenvoudigd. De kleine omvang van de skyrmions, gecombineerd met de ongelooflijke stabiliteit die hier wordt gegenereerd, zou potentieel nuttig kunnen zijn voor het ontwerp van spintronische apparaten van de volgende generatie die energiezuinig zijn en beter kunnen presteren dan de huidige geheugentechnologieën."