Een internationaal team van onderzoekers heeft magnetische vortex-antivortex-paren ontdekt die voortkomen uit gecorreleerde elektronenspins in een nieuw ontworpen drielaags materiaal. De ontdekking zou geheugencellen vooruit kunnen helpen en wijst op de mogelijke ontwikkeling van 3D magnetische logische circuits.

De onderzoekers van het onderzoekscentrum voor nanomaterialen en nanotechnologie van de Universiteit van Oviedo in Spanje, en de Universiteit van Porto in Portugal, rapporteerden hun bevindingen deze week in Technische Natuurkunde Brieven . De samenwerking omvatte ook een onderzoeksgroep bij Alba Synchrotron in Catalonië, Spanje.

Het werk van het team maakt deel uit van een relatief nieuw onderzoeksgebied dat topologische spintronica wordt genoemd. Spintronica maakt gebruik van de intrinsieke spins van elektronen en hun resulterende magnetische eigenschappen in materiaal, evenals de elektrische lading van de elektronen, informatie op te slaan en te verwerken.

Topologische spintronica gebruikt roterende geometrische "defecten" in de totale ladingdragende topologie van een materiaal om magnetisch gedrag te regelen. Microscopische fysieke defecten, zoals stretchen, buigen en draaien, kunnen drijvende verschijnselen zijn die onderzoekers willen gebruiken.

De defecten die het team bestudeert in zijn drielagen zijn bifurcaties, die worden gemaakt in het midden van het gestreepte domeinpatroon. Denk aan een gevorkte weg binnen een rij rechte wegen. Deze vertakkingen zorgen ervoor dat vortex-antivortex-paren samen langs de "magnetische wegen" bewegen, hetzij in de ene richting of in de tegenovergestelde richting, afhankelijk van hun polariteit. De onderkant van de vork beperkt en begeleidt de voortplanting van de wervels.

Het effect werd waargenomen in magnetische drielagen waarin een harde magnetische laag, moeilijk te demagnetiseren, was ingeklemd tussen twee zachtere magnetische lagen, met een totale dikte van 160 nanometer.

"De vortex-antivortex-beweging vereist het samenspel tussen de harde en zachte magnetische lagen, evenals de verdwaalde velden van de hele magnetische drielaag, " zei Maria Velez, co-auteur van het artikel en universitair hoofddocent fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Oviedo.

Het onderzoek van haar team opent nieuwe mogelijkheden in het ontluikende veld van 3D-nanomagnetische, die is geëvolueerd door recente ontdekkingen van nieuwe magnetische effecten op atomair niveau, evenals vooruitgang in karakteriseringsmethoden zoals in de röntgenmagnetische microscopietechniek die door de groep wordt gebruikt.

De onderzoekers ontdekten dat de vortex-antivortex-paren in de zachte magnetische lagen een gecorreleerde beweging vertoonden die zich enkele micrometers langs de magnetische strepen uitstrekt tijdens de omkering van de magnetisatie. Deze lange reisafstandseffecten zouden de efficiëntie bij het besturen van magnetisch geheugen en logische apparaten kunnen verhogen. De bevindingen zijn gebaseerd op röntgenmicroscopie en micromagnetische berekeningen.

"Vortex-antivortex-voortplanting wordt geleid door het magnetische streep-domeinpatroon van het materiaal, niet door een door lithografie gedefinieerde draadgeometrie. Dit houdt in dat de bewegingsrichting op elk moment kan worden veranderd door een juiste opeenvolging van aangelegde magnetische velden. Dit is een duidelijk voordeel ten opzichte van vaste geometrieën zoals de lithografisch gedefinieerde stroomvoerende lijnen in conventionele elektronische apparaten, "Zei Vélez. Het is alsof de geleidende paden voor vortexbeweging in de magnetische drielagen dynamisch opnieuw kunnen worden bedraad.

"In aanvulling, het gebruik van een magnetische potentiaal om vortex-antivortex-beweging te beperken is cruciaal om lange voortplantingsafstanden van enkele microns te verkrijgen, het vermijden van vernietiging aan draadranden, ' zei Vélez ook.

De voortplanting is beperkt tot ofwel de boven- of onderkant van de filmoppervlakken, afhankelijk van de topologische kenmerken van de dislocatie van het streeppatroon. Dit effect zou de koppeling van magnetische circuits over de monsterdikte mogelijk maken in apparaten met meerdere niveaus met een hogere mate van ruimtelijke integratie dan in de huidige 2D magnetische circuits.