Voor veel moderne technische toepassingen, zoals supergeleidende draden voor magnetische resonantie beeldvorming, ingenieurs willen zoveel mogelijk af van elektrische weerstand en de bijbehorende warmteproductie.

Het blijkt, echter, dat een beetje warmteproductie door weerstand een wenselijk kenmerk is in dunne metalen films voor spintronische toepassingen zoals solid-state computergeheugen. evenzo, terwijl defecten in de materiaalkunde vaak ongewenst zijn, ze kunnen worden gebruikt om de aanmaak van magnetische quasi-deeltjes, bekend als skyrmionen, te beheersen.

In afzonderlijke artikelen die deze maand in de tijdschriften zijn gepubliceerd Natuur Nanotechnologie en Geavanceerde materialen , onderzoekers in de groep van MIT Professor Geoffrey S.D. Beach en collega's in Californië, Duitsland, Zwitserland, en Korea, toonden aan dat ze stabiele en snel bewegende skyrmionen kunnen genereren in speciaal samengestelde gelaagde materialen bij kamertemperatuur, wereldrecords vestigen voor grootte en snelheid. Elk artikel stond op de omslag van het desbetreffende tijdschrift.

Voor het onderzoek gepubliceerd in Geavanceerde materialen , de onderzoekers creëerden een draad die 15 herhalende lagen van een speciaal vervaardigde metaallegering van platina stapelt, dat is een zwaar metaal, kobalt-ijzer-boor, wat een magnetisch materiaal is, en magnesium-zuurstof. In deze gelaagde materialen, het grensvlak tussen de platinametaallaag en kobalt-ijzer-boor creëert een omgeving waarin skyrmionen kunnen worden gevormd door een extern magnetisch veld loodrecht op de film aan te leggen en elektrische stroompulsen die zich langs de lengte van de draad voortplanten.

Opmerkelijk, onder een veld van 20 milliTesla, een maat voor de magnetische veldsterkte, de draad vormt skyrmionen bij kamertemperatuur. Bij temperaturen boven 349 kelvin (168 graden Fahrenheit), de skyrmionen vormen zonder een extern magnetisch veld, een effect veroorzaakt door het opwarmen van het materiaal, en de skyrmionen blijven stabiel, zelfs nadat het materiaal is afgekoeld tot kamertemperatuur. Eerder, resultaten als deze waren alleen waargenomen bij lage temperaturen en met grote aangelegde magnetische velden, zegt strand.

Voorspelbare structuur

"Na het ontwikkelen van een aantal theoretische instrumenten, we kunnen nu niet alleen de interne structuur en grootte van skyrmion voorspellen, maar we kunnen ook een reverse engineering-probleem oplossen, we kunnen zeggen, bijvoorbeeld, we willen een skyrmion van die grootte hebben, en we zullen in staat zijn om de meerlaagse, of het materiaal, parameters, dat zou leiden tot de grootte van dat skyrmion, " zegt Ivan Lemesh, eerste auteur van het Advanced Materials paper en een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek aan het MIT. Co-auteurs zijn onder meer senior auteur Beach en 17 anderen.

Een fundamenteel kenmerk van elektronen is hun spin, die naar boven of naar beneden wijst. Een skyrmion is een cirkelvormig cluster van elektronen waarvan de spins tegengesteld zijn aan de oriëntatie van omringende elektronen, en de skyrmions houden een richting met de klok mee of tegen de klok in.

"Echter, Daarbovenop, we hebben ook ontdekt dat skyrmionen in magnetische meerlagen een complexe, door de dikte afhankelijke verdraaide aard ontwikkelen, " zei Lemesh tijdens een presentatie over zijn werk op de najaarsbijeenkomst van de Materials Research Society (MRS) in Boston op 30 november. Die bevindingen werden gepubliceerd in een afzonderlijke theoretische studie in Fysieke beoordeling B in september.

Het huidige onderzoek toont aan dat hoewel deze verwrongen structuur van skyrmionen een kleine impact heeft op het vermogen om de gemiddelde grootte van de skyrmion te berekenen, het heeft een aanzienlijke invloed op hun door stroom veroorzaakte gedrag.

Fundamentele limieten

Voor het artikel in Nature Nanotechnology, de onderzoekers bestudeerden een ander magnetisch materiaal, platina in lagen aanbrengen met een magnetische laag van een gadolinium-kobaltlegering, en tantaaloxide. In dit materiaal, de onderzoekers toonden aan dat ze skyrmionen van slechts 10 nanometer konden produceren en stelden vast dat ze met hoge snelheid in het materiaal konden bewegen.

"Wat we in dit artikel hebben ontdekt, is dat ferromagneten fundamentele limieten hebben voor de grootte van het quasi-deeltje dat je kunt maken en hoe snel je ze kunt aandrijven met behulp van stromen, " zegt eerste auteur Lucas Caretta, een afgestudeerde student in materiaalkunde en techniek.

In een ferromagneet, zoals kobalt-ijzer-boor, naburige spins zijn evenwijdig aan elkaar uitgelijnd en ontwikkelen een sterk directioneel magnetisch moment. Om de fundamentele limieten van ferromagneten te overwinnen, de onderzoekers wendden zich tot gadolinium-kobalt, wat een ferrimagneet is, waarin naburige spins op en neer afwisselen, zodat ze elkaar kunnen opheffen en resulteren in een algemeen magnetisch moment van nul.

"Men kan een ferrimagneet zo ontwerpen dat de netto magnetisatie nul is, waardoor ultrakleine spintexturen mogelijk zijn, of stem het zo af dat het netto impulsmoment nul is, waardoor ultrasnelle spin-texturen mogelijk zijn. Deze eigenschappen kunnen worden bepaald door materiaalsamenstelling of temperatuur, ' legt Caretta uit.

in 2017, onderzoekers in de groep van Beach en hun medewerkers hebben experimenteel aangetoond dat ze deze quasi-deeltjes naar believen op specifieke locaties kunnen creëren door een bepaald soort defect in de magnetische laag te introduceren.

"Je kunt de eigenschappen van een materiaal veranderen door verschillende lokale technieken te gebruiken, zoals ionenbombardement, bijvoorbeeld, en door dat te doen verander je zijn magnetische eigenschappen, "Lemes zegt, "en als je dan een stroom in de draad injecteert, het skyrmion zal op die locatie geboren worden."

Caretta voegt eraan toe:"Het werd oorspronkelijk ontdekt met natuurlijke defecten in het materiaal, toen werden ze technische defecten door de geometrie van de draad."

Ze gebruikten deze methode om skyrmionen te maken in het nieuwe Nature Nanotechnology-papier.

De onderzoekers maakten beelden van de skyrmionen in het kobalt-gadoliniummengsel bij kamertemperatuur in synchrotroncentra in Duitsland, met behulp van röntgenholografie. Felix Büttner, een postdoc in het Beachlab, was een van de ontwikkelaars van deze röntgenholografietechniek. "Het is een van de weinige technieken die zulke sterk opgeloste beelden mogelijk maakt waarbij je skyrmions van dit formaat kunt onderscheiden, ' zegt Caretta.

Deze skyrmionen zijn zo klein als 10 nanometer, dat is het huidige wereldrecord voor skyrmionen bij kamertemperatuur. De onderzoekers toonden een stroomgedreven domeinwandbeweging van 1,3 kilometer per seconde aan, met behulp van een mechanisme dat ook kan worden gebruikt om skyrmions te verplaatsen, waarmee ook een nieuw wereldrecord wordt gevestigd.

Behalve het synchrotronwerk, al het onderzoek is gedaan aan het MIT. "We verbouwen de materialen, doe de fabricage en karakteriseer de materialen hier bij MIT, ' zegt Caretta.

Magnetische modellering

Deze skyrmionen zijn een type spinconfiguratie van elektronenspins in deze materialen, terwijl domeinmuren een andere zijn. Domeinwanden zijn de grens tussen domeinen van tegengestelde spinoriëntatie. Op het gebied van spintronica, deze configuraties staan ​​bekend als solitonen, of spintexturen. Aangezien skyrmionen een fundamentele eigenschap van materialen zijn, wiskundige karakterisering van hun vormings- en bewegingsenergie omvat een complexe reeks vergelijkingen waarin hun cirkelvormige grootte is opgenomen, draaiimpulsmoment, orbitaal impulsmoment, elektronische lading, magnetische sterkte, laagdikte, en verschillende speciale natuurkundige termen die de energie van interacties tussen naburige spins en aangrenzende lagen vastleggen, zoals de uitwisseling interactie.

Een van deze interacties, die de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI) wordt genoemd, is van bijzonder belang voor de vorming van skyrmionen en komt voort uit het samenspel tussen elektronen in de platinalaag en de magnetische laag. In de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie, spins staan ​​loodrecht op elkaar, die het skyrmion stabiliseert, zegt Lemes. Door de DMI-interactie kunnen deze skyrmionen topologisch zijn, aanleiding geven tot fascinerende natuurkundige fenomenen, ze stabiel maken, en waardoor ze met een stroom kunnen worden verplaatst.

"Het platina zelf is wat zorgt voor wat een spinstroom wordt genoemd, wat de spintexturen in beweging brengt, "zegt Caretta. "De spinstroom zorgt voor een koppel op de magnetisatie van de ferro of ferrimagnet ernaast, en dit koppel veroorzaakt uiteindelijk de beweging van de spintextuur. We gebruiken in feite eenvoudige materialen om gecompliceerde fenomenen op interfaces te realiseren."

In beide kranten de onderzoekers voerden een mix van micromagnetische en atomistische spinberekeningen uit om de energie te bepalen die nodig is om skyrmionen te vormen en te verplaatsen.

"Het blijkt dat door de fractie van een magnetische laag te veranderen, je kunt de gemiddelde magnetische eigenschappen van het hele systeem veranderen, dus nu hoeven we niet naar een ander materiaal te gaan om andere eigenschappen te genereren, "zegt Lemesh. "Je kunt de magnetische laag gewoon verdunnen met een afstandslaag van verschillende dikte, en je zult eindigen met verschillende magnetische eigenschappen, en dat geeft je een oneindig aantal mogelijkheden om je systeem te fabriceren."

Nauwkeurige controle:

"Precieze controle van het creëren van magnetische skyrmionen is een centraal onderwerp van het veld, " zegt Jiadong Zang, een assistent-professor natuurkunde aan de Universiteit van New Hampshire, die niet bij dit onderzoek betrokken was, betreffende de Geavanceerde materialen papier. "Dit werk heeft een nieuwe manier gepresenteerd om skyrmionen met nulvelden te genereren via stroompulsen. Dit is absoluut een solide stap in de richting van skyrmion-manipulaties in een nanoseconde-regime."

Reageren op de Natuur Nanotechnologie verslag doen van, Christoffel Merels, een professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Leeds in het Verenigd Koninkrijk zegt:"Het feit dat de skyrmionen zo klein zijn, maar kunnen worden gestabiliseerd bij kamertemperatuur, maakt het zeer significant."

merg, die ook niet bij dit onderzoek betrokken was, merkte op dat de Beach-groep skyrmions bij kamertemperatuur had voorspeld in a Wetenschappelijke rapporten paper eerder dit jaar en zei dat de nieuwe resultaten werk van de hoogste kwaliteit zijn. "Maar ze hebben de voorspelling gedaan en het echte leven voldoet niet altijd aan de theoretische verwachtingen, dus ze verdienen alle eer voor deze doorbraak, ' zegt Merel.

Zang, commentaar geven op de Natuur Nanotechnologie papier, voegt toe:"Een knelpunt van skyrmion-onderzoek is het bereiken van een grootte van kleiner dan 20 nanometer [de grootte van een ultramoderne geheugeneenheid], en zijn beweging aandrijven met een snelheid van meer dan één kilometer per seconde. Beide uitdagingen zijn aangepakt in dit baanbrekende werk.

"Een belangrijke innovatie is het gebruik van ferrimagneet, in plaats van de veelgebruikte ferromagneet, om skyrmions te hosten, " zegt Zang. "Dit werk stimuleert enorm het ontwerp van op skyrmion gebaseerde geheugen- en logische apparaten. Dit is absoluut een sterpapier in het skyrmion-veld."

Racebaan systemen

Solid-state-apparaten die op deze skyrmions zijn gebouwd, zouden op een dag de huidige harde schijven voor magnetische opslag kunnen vervangen. Stromen van magnetische skyrmionen kunnen fungeren als bits voor computertoepassingen. "In deze materialen we kunnen gemakkelijk magnetische sporen vormen, ' zei Beach tijdens een presentatie bij MRS.

Deze nieuwe bevindingen kunnen worden toegepast op racetrack-geheugenapparaten, die zijn ontwikkeld door Stuart Parkin bij IBM. Een sleutel tot het engineeren van deze materialen voor gebruik in racetrack-apparaten is het construeren van opzettelijke defecten in het materiaal waar skyrmionen zich kunnen vormen, omdat skyrmionen zich vormen waar er defecten in het materiaal zijn.

"Je kunt engineeren door inkepingen in dit type systeem te plaatsen, " zei Strand, die ook co-directeur is van het Materials Research Laboratory (MRL) aan het MIT. Een stroompuls die in het materiaal wordt geïnjecteerd, vormt de skyrmionen met een inkeping. "Dezelfde stroompuls kan worden gebruikt om te schrijven en te verwijderen, " zei hij. Deze skyrmionen vormen extreem snel, in minder dan een miljardste van een seconde, zegt strand.

Caretta zegt:"Om een ​​praktische bedieningslogica of een geheugencircuit te kunnen hebben, je moet het stukje schrijven, dus dat is waar we het over hebben bij het creëren van het magnetische quasi-deeltje, en je moet ervoor zorgen dat het geschreven stukje heel klein is en je moet dat stukje heel snel door het materiaal vertalen, ' zegt Caretta.

merg, de Leeds-professor, voegt toe:"Toepassingen in op skyrmion gebaseerde spintronica, zal profiteren, hoewel het nogmaals een beetje vroeg is om met zekerheid te zeggen wat de winnaars zullen zijn van de verschillende voorstellen, waaronder herinneringen, logische apparaten, oscillatoren en neuromorfe apparaten, "

Een resterende uitdaging is de beste manier om deze skyrmion-bits te lezen. Het werk in de Beach-groep op dit gebied gaat door, Lemesh zegt, opmerkend dat de huidige uitdaging is om een ​​manier te vinden om deze skyrmionen elektrisch te detecteren om ze in computers of telefoons te gebruiken.

"NS, zodat u uw telefoon niet naar een synchrotron hoeft te brengen om een ​​stukje te lezen, Caretta zegt. "Als resultaat van een deel van het werk dat is gedaan aan ferrimagnetten en soortgelijke systemen die anti-ferromagneten worden genoemd, Ik denk dat de meerderheid van het veld daadwerkelijk zal gaan verschuiven naar dit soort materialen vanwege de enorme belofte die ze inhouden."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.