Een nieuwe vorm van magnetische interactie die een voorheen tweedimensionaal fenomeen naar de derde dimensie duwt, zou een groot aantal opwindende nieuwe mogelijkheden kunnen openen voor gegevensopslag en geavanceerd computergebruik, wetenschappers zeggen.

In een nieuw artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuurmaterialen , een team onder leiding van natuurkundigen van de Universiteit van Glasgow beschrijft hoe ze een nieuwe manier hebben gevonden om met succes informatie van een reeks kleine magneten op een ultradunne film door te geven aan magneten op een tweede film eronder.

Hun doorbraak voegt letterlijk en figuurlijk een extra dimensie toe aan 'spintronica', het gebied van de wetenschap gewijd aan gegevensopslag, ophalen en verwerken, die al een grote impact heeft gehad op de tech-industrie.

Iedereen die ooit met een paar magneten heeft gespeeld, begrijpt dat tegenpolen elkaar aantrekken:de zuidpool van de ene magneet trekt de noordpool van de andere aan. Hoewel dat waar is op de schaal die de meeste mensen kennen, de manier waarop magneten met elkaar omgaan, ondergaat een aantal belangrijke veranderingen naarmate magneten krimpen.

Op nanoschaal - waar magnetische materialen slechts een paar miljardste van een meter groot kunnen zijn - werken magneten op vreemde nieuwe manieren met elkaar samen, inclusief de mogelijkheid om elkaar aan te trekken en af ​​te stoten in hoeken van 90 graden in plaats van rechtdoor.

Wetenschappers hebben al geleerd hoe ze die ongebruikelijke eigenschappen kunnen benutten om informatie te coderen en te verwerken in dunne films bedekt met een enkele laag magneten op nanoschaal.

De voordelen van deze 'spintronic'-systemen:laag stroomverbruik, hoge opslagcapaciteit en grotere robuustheid - hebben technologie van onschatbare waarde toegevoegd, zoals magnetische harde schijven, en wonnen de ontdekkers van spintronica een Nobelprijs in 2007.

Echter, de functionaliteit van magnetische systemen die tegenwoordig in computers worden gebruikt, blijft beperkt tot één vlak, hun capaciteit beperken. Nutsvoorzieningen, het door de Universiteit van Glasgow geleide team, samen met partners van de universiteiten van Cambridge en Hamburg, de Technische Universiteit Eindhoven en de Aalto University School of Science hebben een nieuwe manier ontwikkeld om informatie van de ene laag naar de andere te communiceren, het toevoegen van nieuwe mogelijkheden voor opslag en berekening.

Dr. Amalio Fernandez-Pacheco, een EPSRC Early Career Fellow in de School of Physics and Astronomy van de universiteit, is de hoofdauteur van het papier. Hij zei:"De ontdekking van dit nieuwe type interactie tussen aangrenzende lagen geeft ons een rijke en opwindende manier om ongekende 3D-magnetische toestanden in meerlagige magneten op nanoschaal te verkennen en te exploiteren.

"Het is een beetje alsof je een extra noot krijgt in een toonladder om mee te spelen - het opent een hele nieuwe wereld van mogelijkheden, niet alleen voor conventionele informatieverwerking en -opslag, maar potentieel voor nieuwe vormen van computergebruik waar we nog niet eens aan hebben gedacht."

De informatieoverdracht tussen de lagen die het team heeft gecreëerd, is gebaseerd op wat bij natuurkundigen bekend staat als chirale spin-interacties, een soort magnetische kracht die een bepaald gevoel van rotatie bevordert in naburige magneten op nanoschaal. Dankzij recente ontwikkelingen in spintronica, het is nu mogelijk om deze interacties binnen een magnetische laag te stabiliseren. Dit is bijvoorbeeld gebruikt om skyrmions te maken, een soort magnetisch object op nanoschaal met superieure eigenschappen voor computertoepassingen.

Het onderzoek van het team heeft dit soort interacties nu voor het eerst uitgebreid naar aangrenzende lagen. Ze fabriceerden een meerlagig systeem gevormd door ultradunne magnetische films gescheiden door niet-magnetische metalen afstandhouders. De structuur van het systeem, en een nauwkeurige afstemming van de eigenschappen van elke laag en zijn interfaces, creëert ongebruikelijke gekantelde magnetische configuraties, waar het magnetische veld van de twee lagen hoeken vormt tussen nul en 90 graden.

In tegenstelling tot standaard meerlagige magneten, het wordt voor deze magnetische velden gemakkelijker om configuraties met de klok mee te vormen dan tegen de klok in, een vingerafdruk dat er een chirale spin-interactie tussen de lagen bestaat tussen de twee magnetische lagen. Deze breuk van de rotatiesymmetrie werd waargenomen bij kamertemperatuur en onder standaard omgevingsomstandigheden. Als resultaat, dit nieuwe type magnetische interactie tussen de lagen opent spannende perspectieven om topologisch complexe magnetische 3D-configuraties in spintronische technologieën te realiseren.

De krant van het team, getiteld 'Symmetry-Breaking Interlayer Dzyaloshinskii-Moriya Interactions in Synthetic Antiferromagnets', is gepubliceerd in Natuurmaterialen .