Een team van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft een speciale eigenschap bevestigd die bekend staat als "chiraliteit - die mogelijk kan worden misbruikt om gegevens op een nieuwe manier te verzenden en op te slaan - in nanometer dikke monsters van meerlaagse materialen met een ongeordende structuur.

Hoewel de meeste elektronische apparaten afhankelijk zijn van de stroom van elektronen, de wetenschappelijke gemeenschap is koortsachtig op zoek naar nieuwe manieren om de elektronica te revolutioneren door materialen en methoden te ontwerpen om andere inherente elektronenkenmerken te beheersen, zoals hun banen rond atomen en hun spin, die kan worden gezien als een kompasnaald die is afgestemd om in verschillende richtingen te kijken.

deze eigenschappen, wetenschappers hopen, sneller kan inschakelen, kleiner, en betrouwbaardere gegevensopslag door spintronica mogelijk te maken, waaronder het gebruik van spinstroom om domeinen en domeinmuren te manipuleren. Door Spintronica aangedreven apparaten zouden minder warmte kunnen genereren en minder stroom nodig hebben dan conventionele apparaten.

In de laatste studie, gedetailleerd in de online editie van het tijdschrift van 23 mei Geavanceerde materialen , wetenschappers van Berkeley Lab's Molecular Foundry and Advanced Light Source (ALS) bevestigden een chiraliteit, of handigheid, in de overgangsgebieden - domeinmuren genoemd - tussen aangrenzende magnetische domeinen die tegengestelde spins hebben.

Wetenschappers hopen de chiraliteit te beheersen - analoog aan rechtshandigheid of linkshandigheid - om magnetische domeinen te beheersen en nullen en enen over te brengen zoals in conventioneel computergeheugen.

De monsters waren samengesteld uit een amorfe legering van gadolinium en kobalt, ingeklemd tussen ultradunne lagen platina en iridium, waarvan bekend is dat ze een sterke invloed hebben op naburige spins.

Moderne computercircuits gebruiken gewoonlijk siliciumwafels op basis van een kristallijne vorm van silicium, die een regelmatig geordende structuur heeft. In deze laatste studie de materiaalmonsters die in experimenten werden gebruikt, waren amorf, of niet-kristallijn, wat betekent dat hun atomaire structuur verstoord was.

Experimenten onthulden een dominante chiraliteit in de magnetische eigenschappen van deze domeinwanden die mogelijk zou kunnen worden omgedraaid naar het tegenovergestelde. Een dergelijk flipping-mechanisme is een cruciale technologie voor spintronica en variante onderzoeksgebieden die gebaseerd zijn op de spin-eigenschap van het elektron.

Het wetenschappelijke team werkte aan het identificeren van de juiste dikte, concentratie, en gelaagdheid van elementen, en andere factoren om dit chirale effect te optimaliseren.

"Nu hebben we bewijs dat we chiraal magnetisme kunnen hebben in amorfe dunne films, die niemand eerder had laten zien, " zei Robert Streubel, de hoofdauteur van de studie en een postdoctoraal onderzoeker in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab. Het succes van de experimenten, hij zei, opent de mogelijkheid om bepaalde eigenschappen van domeinmuren te controleren, zoals chiraliteit, met temperatuur, en van het schakelen van de chirale eigenschappen van een materiaal met licht.

amorfe materialen, ondanks hun ongeordende structuur, zou ook kunnen worden vervaardigd om enkele van de beperkingen van kristallijne materialen voor spintronica-toepassingen te overwinnen, merkte Streubel op. "We wilden deze complexere materialen onderzoeken die gemakkelijker te maken zijn, vooral voor industriële toepassingen."

Het onderzoeksteam schakelde een unieke, hoge resolutie elektronenmicroscopie techniek bij Berkeley Lab's Molecular Foundry, en voerden de experimenten uit in een zogenaamde Lorentz-observatiemodus om de magnetische eigenschappen van de materiaalmonsters in beeld te brengen. Ze combineerden deze resultaten met die van een röntgentechniek bij de ALS die bekend staat als magnetische circulaire dichroïsme spectroscopie om de magnetische chiraliteit op nanoschaal in de monsters te bevestigen.

De Lorentz-microscopietechniek die werd gebruikt bij het National Center for Electron Microscopy van de Molecular Foundry, leverde de resolutie van tientallen nanometers die nodig was om de magnetische domeineigenschappen die bekend staan ​​​​als spintexturen op te lossen.

"Door deze hoge ruimtelijke resolutie bij dit instrument konden we de chiraliteit in de domeinmuren zien - en we keken door de hele stapel materialen, " zei Peter Fischer, een co-leider van de studie en een senior stafwetenschapper in de Materials Sciences Division van het Lab.

Fischer merkte op dat de steeds nauwkeuriger, experimentele technieken met hoge resolutie - die gebruikmaken van elektronenstralen en röntgenstralen, bijvoorbeeld - laat wetenschappers nu complexe materialen onderzoeken die geen goed gedefinieerde structuur hebben.

"We zijn nu op zoek met nieuwe soorten sondes, " hij zei, die naar steeds kleinere schaal boren. "Nieuwe eigenschappen en ontdekkingen kunnen vrij vaak plaatsvinden op de grensvlakken van materialen, daarom vragen we:wat gebeurt er als je de ene laag naast de andere legt? En hoe beïnvloedt dat de spintexturen, welke magnetische landschappen van spinoriëntaties van een materiaal zijn?"

Het ultieme onderzoeksinstrument, Fischer zei, die aan de horizon staat met de volgende generatie elektronen- en röntgensondes, zou wetenschappers de mogelijkheid bieden om direct te zien, bij atomaire resolutie, de magnetische schakeling die optreedt in de interfaces van een materiaal op femtoseconden (quadrillionste van een seconde) tijdschalen.

"Onze volgende stap is daarom om in een amorf systeem in te gaan op de dynamiek van de chiraliteit van deze domeinmuren:deze domeinmuren in beeld brengen terwijl ze bewegen, en om te zien hoe atomen worden samengevoegd, " hij zei.

Streubel heeft toegevoegd, "Het was echt een diepgaande studie in bijna elk aspect dat nodig was. Elk stuk op zich was een uitdaging." De resultaten van de Lorentz-microscopie werden ingevoerd in een wiskundig algoritme, op maat gemaakt door Streubel, om domeinmuurtypes en chiraliteit te identificeren. Een andere uitdaging was het optimaliseren van de monstergroei om de chirale effecten te bereiken met behulp van een conventionele techniek die bekend staat als sputteren.

Het algoritme, en de experimentele technieken, kan nu worden toegepast op een hele reeks monstermaterialen in toekomstige studies, en "moet generaliseerbaar zijn naar verschillende materialen voor verschillende doeleinden, " hij zei.

Het onderzoeksteam hoopt ook dat hun werk kan helpen bij het stimuleren van R&D met betrekking tot spin-orbitronica, waar "topologisch beschermde" (stabiele en veerkrachtige) spintexturen, skyrmions genaamd, mogelijk de verspreiding van kleine domeinmuren in een materiaal zouden kunnen vervangen en zouden kunnen leiden tot kleinere en snellere computerapparaten met een lager stroomverbruik dan conventionele apparaten.