Een team onder leiding van de Rutgers University en met wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een röntgenbeeldvormingstechniek gedemonstreerd die de ontwikkeling van kleinere, sneller, en robuustere elektronica.

Beschreven in een paper gepubliceerd op 27 november in Natuurcommunicatie , de techniek pakt een primaire beperking aan in het opkomende onderzoeksgebied van "spintronica, " of spin-elektronica, met behulp van magnetische materialen die bekend staan ​​als antiferromagneten (AFM's):het vermogen om antifase magnetische domeinen af ​​te beelden.

Elektronen in magnetische atomen wijzen, of "draai, " in een opwaartse of neerwaartse richting. In alle magnetische materialen, er zijn verschillende gebieden - magnetische domeinen - waarin de elektronenspins op een regelmatige manier zijn gerangschikt. Afhankelijk van het type magnetisme zijn verschillende configuraties mogelijk. In AFM's, de spins op aangrenzende atomen wijzen in tegengestelde richtingen (bijv. op-beneden-op-beneden). Hoewel de spins binnen elk domein uniform zijn geordend, die binnen aangrenzende domeinen zijn op een andere manier uitgelijnd. Bijvoorbeeld, in AFM's, de spins in één domein kunnen allemaal in een up-down patroon worden gerangschikt, terwijl down-up in een naburig domein. Het in beeld brengen van deze "antifase"-domeinen en de overgangen (muren) die ertussen bestaan, is de eerste stap om de magnetische toestand van AFM's te kunnen manipuleren om spintronische apparaten te ontwikkelen.

"Uiteindelijk, het doel is om het aantal te controleren, vorm, maat, en positie van de domeinen, " zei co-auteur Claudio Mazzoli, hoofdwetenschapper bij de Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) bundellijn bij Brookhaven Lab's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - een DOE Office of Science User Facility - waar de techniek werd gedemonstreerd. "In het algemeen, de elektronische eigenschappen van domeinwanden kunnen verschillen van die in het grootste deel van het materiaal, en we kunnen profiteren van dit feit. Het vinden van een manier om de domeinen en hun muren te controleren door externe verstoringen is de sleutel tot technische apparaten die informatie efficiënt kunnen opslaan en verwerken."

Van opladen tot draaien

Conventionele elektronica zoals computerchips is afhankelijk van het transport van elektrische ladingsdragers, of elektronen, opereren. Terwijl deze ladingen zich verplaatsen, ze dissiperen energie in de vorm van warmte, de efficiëntie van het apparaat beperken.

Spintronica maakt gebruik van een andere intrinsieke eigenschap van elektronen:spin. Omdat elektronenspins veel sneller van de ene magnetische polariteit naar de andere kunnen worden omgedraaid dan dat lading kan worden verplaatst, apparaten op basis van spintronica kunnen intrinsiek sneller zijn dan de hedendaagse elektronica.

Daten, de meeste spintronische apparaten zijn gebaseerd op ferromagneten (FM's) - het type magneten waarmee we het meest vertrouwd zijn, zoals te zien op koelkasten en op harde schijven van computers. Als reactie op een extern magnetisch veld, de domeinen in FM's worden parallel uitgelijnd volgens de richting van het veld.

Echter, AFM's bieden verschillende voordelen ten opzichte van FM's. Bijvoorbeeld, omdat de spins in AFM's opheffen, deze materialen hebben geen grootschalig magnetisme. Dus, hun draairichting kan nog sneller worden omgedraaid, en ze genereren geen verdwaalde magnetische velden die kunnen interfereren met andere bronnen van magnetisatie. In aanvulling, ze zijn veel beter bestand tegen externe magnetische velden.

"Antiferromagneten zijn intrinsiek beter beschermd tegen het verliezen van informatie door interacties met de omgeving, inclusief tussen domeinen, " legde senior auteur en Rutgers natuurkundeprofessor Valery Kiryukhin uit. "Dus, apparaten op basis van AFM-materialen kunnen kleiner worden gemaakt, met informatie die dichter bij elkaar is gepakt om een ​​hogere opslagcapaciteit op te leveren."

Maar dezelfde eigenschappen die AFM's aantrekkelijk maken voor spintronica, maken deze materialen ook moeilijk te controleren.

"Om ze te beheersen, we moeten eerst heel basale vragen beantwoorden, zoals hoe de domeinen in de ruimte zijn gerangschikt en hoe zij en hun muren bewegen als reactie op externe verstoringen zoals temperatuurveranderingen, elektrische velden, en lichtpulsen, ' zei Mazzoli.

Antiferromagnetische reflecties

In dit onderzoek, de wetenschappers stuurden een coherente bundel röntgenstralen van de CSX-bundellijn door een cirkelvormig gaatje om de magnetische orde van een op ijzer gebaseerd AFM-monster te verlichten, gesynthetiseerd door leden van Rutgers' Department of Physics and Astronomy, waaronder Kiryukhin en eerste auteur en postdoctoraal medewerker Min Gyu Kim. Ze stellen de röntgenstralen van de bundellijn in op een energie die resoneert met (dichtbij) de energie van de spins in het materiaal. Een detector legde de intensiteit van het licht vast terwijl het op het monster weerkaatste.

"Je kunt de krassen op het scherm van je mobiele telefoon zien als het licht van dat oppervlak weerkaatst, " zei Mazzoli. "We hebben hier hetzelfde soort principe toegepast, maar vertrouwden op magnetische reflecties in plaats van oppervlaktereflecties. De magnetische reflecties verschijnen alleen binnen een zeer nauwe grens van verstrooiingshoeken en omstandigheden."

"Omdat de inkomende bundel coherent is - alle fotonen, of lichte deeltjes, op een georganiseerde manier naar elkaar toe zwaaien - we konden direct zien hoe twee domeinen van elkaar verschillen en hoe ze met elkaar interfereren, " zei co-auteur Mark Dean, een fysicus in de afdeling Condensed Matter Physics and Materials Science (CMPMS) van Brookhaven Lab. "De inmenging, zoals onthuld in de detectorpatronen waar sprake is van een vermindering van de signaalintensiteit, vertelde ons waar de domeingrenzen zijn."

Hoewel deze magnetische diffractietechniek algemeen bekend is, deze studie is de eerste keer dat het met succes is toegepast op antifase-domeinbeeldvorming in AFM's.

"Dit volledig nieuwe vermogen om antiferromagnetische domeingrenzen in beeld te brengen is alleen mogelijk vanwege de uitstekende coherentie van de bundellijn, " zei Ian Robinson, Röntgenverstrooiingsgroepsleider en senior fysicus op de afdeling CMPMS. "De verstrooiingsbijdragen van twee antifasedomeinen zijn precies even groot. Ze verschillen alleen in hun fase, die wordt opgepikt met coherente röntgenstralen door interferentie op de detector."

In fracties van een seconde, een volledig beeld van uitgestrekte gebieden (honderden microns bij honderden microns) van het monster wordt gegenereerd, zonder dat u instrumenten hoeft te verplaatsen. Bij andere magnetische beeldvormingstechnieken, een sonde moet op meerdere punten over het oppervlak worden gescand, of er zijn berekeningen nodig om de resulterende detectorpatronen te projecteren op beelden in de echte ruimte die onze ogen kunnen begrijpen.

"We zijn in wezen een foto aan het maken, "zei Mazzoli. "De uitlezing van alle pixels in de detector vormt een full-field beeld in een enkele opname. Afbeeldingen die nog grotere gebieden van millimeters beslaan, kunnen worden verkregen door meerdere afbeeldingen aan elkaar te naaien."

De snelheid van de techniek maakt het bij uitstek geschikt voor dynamische experimenten. Hier, de wetenschappers bestudeerden hoe de magnetische domeinen in realtime veranderden terwijl ze het monster verwarmden om de antiferromagnetische orde te "smelten" (verwijderen) en het afkoelden om de orde terug te brengen in de vorm van de domeinrangschikking. Ze ontdekten dat sommige domeinen vrij konden bewegen bij elke thermische cyclus, terwijl anderen dat niet waren.

Vooruit gaan, het team is van plan de techniek te testen met andere AFM's en verschillende materiaalklassen. Het team is ook van plan om de huidige resolutie van de techniek te verbeteren tot minder dan 100 nanometer door de experimentele opstelling opnieuw te configureren. Deze verbeterde resolutie zou hen in staat stellen de wanddikte van het domein te bepalen.

"Om een ​​spintronisch apparaat te ontwerpen, je moet de magnetische configuratie van de materialen kennen, "zei Dean. "Onze hoop is dat we deze techniek uiteindelijk zullen kunnen gebruiken om te zien hoe magnetisme werkt in omstandigheden die zich dicht bij het apparaat bevinden."