In een baanbrekende poging om te controleren, magnetisme op atomair niveau meten en begrijpen, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuwe methode ontdekt om de eigenschappen van magnetische materialen op nanoschaal te manipuleren.

Het vermogen om deze eigenschappen te beheersen heeft potentiële toepassingen bij het creëren en verbeteren van het magnetische geheugen in consumentenelektronica, en het ontwikkelen van een gevoelige detector voor magnetische nanodeeltjes.

De ontdekking richt zich op een kwantummechanische eigenschap die bekend staat als spin, die elektronen een klein magnetisch veld geeft. Elektronenspin kan in twee richtingen wijzen, "op of neer, " evenals het bijbehorende magnetische veld. Door de jaren heen, wetenschappers zijn bedreven geworden in het omdraaien van de draairichting, en daarom, de richting van het magnetische veld. Maar de nieuwe bevinding heeft een nieuwe wending.

Bij sommige materialen is zoals kobalt, de spins van naburige elektronen interageren, waardoor ze allemaal in dezelfde richting wijzen. Als sommige spins uit die richting worden gedwongen, ze trekken enkele van de nabijgelegen spins met zich mee. Dit zorgt ervoor dat de spins een geleidelijke draai ondergaan - met de klok mee of tegen de klok in. Bij sommige materialen is de spins draaien liever in één richting.

Een team onder leiding van NIST-onderzoeker Samuel Stavis en Andrew Balk, nu in het Los Alamos National Laboratory, vond een manier om de richting van deze draaiing te regelen in een film van kobalt van slechts drie atoomlagen dik. Bovendien, ze zouden deze richting op verschillende locaties op dezelfde kobaltfilm anders kunnen instellen, en doe dit onafhankelijk van andere magnetische eigenschappen van het metaal.

Het team bereikte deze nieuwe mogelijkheid door een effect te beheersen dat bekend staat als de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI), die spins een voorkeursdraairichting oplegt. De DMI komt typisch voor op de grens tussen een dunne film van een magnetisch metaal en een niet-magnetische metaallaag. De elektronspins in de magnetische film interageren met atomen in de niet-magnetische film, het creëren van een preferentiële draai.

Het besturen van de DMI kan het magnetische geheugen versterken, die de oriëntatie van spin gebruikt om informatie op te slaan. Een geheugenapparaat heeft twee verschillende toestanden nodig, die ofwel een één of een nul voorstelt - in het geval van een magnetische harde schijf, elektronen waarvan de spin naar boven of naar beneden wijst. Om gegevens te schrijven, ontwerpers hebben een voorspelbare manier nodig om van de ene draairichting naar de andere te gaan. Door de richting en de hoeveelheid draaiing te regelen, kan de spin-flip efficiënter en betrouwbaarder plaatsvinden dan wanneer de draai willekeurig zou zijn, Balk notities.

Het besturen van de DMI speelt ook een sleutelrol in een ander type magnetisch geheugen. Als de DMI sterk genoeg is, het zal naburige spins in een cirkelvormig vortexpatroon verdraaien, en kunnen mogelijk exotische magnetische knopen creëren die skyrmions worden genoemd. Deze deeltjesachtige knopen kunnen informatie opslaan, en hun bestaan ​​of afwezigheid in een magnetische dunne film zou kunnen werken als de enen en nullen van elektronische logische circuits. Door de DMI te reguleren, onderzoekers kunnen skyrmions maken, die minder stroom nodig hebben om te werken dan andere soorten magnetisch geheugen, en moeten in staat zijn om hun beweging door een magnetisch materiaal te leiden.

De onderzoekers beschrijven hun werk in Physical Review Letters.

In hun experiment hebben de onderzoekers klemden een dunne film van kobalt tussen twee lagen platina, een niet-magnetisch metaal. Vervolgens bombardeerden ze de drielaags met argonionen, die de bovenste platinafilm wegblies en de bovenste grens tussen platina en kobalt ruw maakte, afhankelijk van de ionenenergie. De wetenschappers ontdekten dat wanneer ze argonionen met hogere energie gebruikten, de DMI was negatief, de spins van het kobalt tegen de klok in draaien, en toen ze argonionen met lagere energie gebruikten, de DMI was positief, en zou de spins met de klok mee draaien. Bij blootstelling aan argonionen met intermediaire energie, de DMI was nul, waardoor het even waarschijnlijk is dat spins met de klok mee of tegen de klok in zouden draaien.

De onderzoekers deden hun ontdekking terwijl ze de magnetische eigenschappen van een kobaltfilm afstemden om een ​​sensor voor magnetische nanodeeltjes te ontwikkelen. Daarbij, het team realiseerde zich dat het een nieuwe manier had gevonden om de DMI te manipuleren.

Omdat argonionen met verschillende energieën op specifieke gebieden in het kobalt kunnen worden gericht, de onderzoekers waren in staat om kobaltfilms te fabriceren waarvan de DMI over het oppervlak van het materiaal varieerde.

"Zes decennia nadat Dzyaloshinskii en Moriya deze interactie ontdekten, ons nieuwe proces om het ruimtelijk te beheersen, onafhankelijk van andere magnetische eigenschappen, zal nieuwe wetenschappelijke studies van de DMI mogelijk maken en de fabricage van nieuwe nanomagnetische apparaten mogelijk maken, ' zei Balk.

Eindelijk, de wetenschappers ontdekten dat het controleren van de DMI de film inderdaad gevoeliger maakte voor magnetische velden van nanodeeltjes. Op een latere datum, het team is van plan om werk te publiceren over het toepassen van de film als een nanodeeltjessensor voor gebruikers van het NIST Center for Nanoscale Science and Technology, waar het werk is verricht.