Toekomstige digitale gegevensopslagapparaten zijn voornamelijk afhankelijk van nieuwe fundamentele magnetische verschijnselen. Hoe beter we deze verschijnselen begrijpen, hoe beter en energiezuiniger de geheugenchips en harde schijven die we kunnen bouwen. Natuurkundigen van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en het Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) hebben nu het essentiële fundamentele werk voor toekomstige opslagapparaten voltooid:met behulp van een creatieve benadering van het vormen van magnetische dunne films in gebogen architecturen, ze valideerden de aanwezigheid van chirale reacties in een veelgebruikt magnetisch materiaal. Dit vergemakkelijkt het creëren van magnetische systemen met gewenste eigenschappen die afhankelijk zijn van eenvoudige geometrische transformaties. Het team heeft nu hun werk in het tijdschrift gepresenteerd Fysieke beoordelingsbrieven .

We weten allemaal dat onze linkerhand anders is dan onze rechterhand - een linkerhandschoen past niet in je rechterhand en vice versa. Wetenschappers gebruiken de term 'chiraliteit' om objecten te beschrijven die niet in overeenstemming zijn met hun spiegelbeeld. Chemici, vooral, zijn bekend met deze eigenschap in moleculen, zoals in links- en rechtsdraaiend melkzuur. Mensen metaboliseren de rechtsdraaiende variant gemakkelijker dan zijn 'spiegelbeeld'.

Het is bekend dat dergelijke chirale effecten optreden in magnetische materialen, waar magnetische texturen ook chirale eigenschappen hebben:de rangschikking van individuele magnetische momenten in het materiaal, of, figuurlijk spreken, de uitlijning van de vele kleine "kompasnaalden" waaruit een magneet bestaat, rechts- en linkshandige uitlijningen kunnen vormen. Onder bepaalde omstandigheden, sommige texturen gedragen zich als beeld en spiegelbeeld - een linkshandige textuur kan niet congruent worden gemaakt met zijn rechtshandige versie.

Het interessante aspect hier is dat "de twee texturen verschillende magnetische gedragingen kunnen vertonen, " zoals HZDR-fysicus Dr. Denys Makarov aangeeft. "Om het simpel te zeggen:een rechtshandige textuur kan energetisch beter de voorkeur hebben dan een linkshandige textuur. Aangezien systemen in de natuur de neiging hebben om hun laagst mogelijke energetische toestand aan te nemen, de rechtshandige staat heeft de voorkeur." Dergelijke chirale effecten zijn technologisch veelbelovend. ze kunnen nuttig zijn bij de toekomstige ontwikkeling van zeer energiezuinige elektronische componenten zoals sensoren, schakelaars, en niet-vluchtige opslagapparaten.

Magnetische gebogen architecturen

"Helimagneten zijn materialen met goed gedefinieerde chirale magnetische eigenschappen, door een gebrek aan interne magnetische symmetrie, " legt de hoofdauteur van het artikel uit, Dr. Oleksii Volkov van HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Ondanks het feit dat ze al lang bekend zijn, dit zijn nogal exotische materialen die moeilijk te produceren zijn. Bovendien, helimagneten vertonen meestal hun unieke chirale eigenschappen bij lage temperaturen." Daarom koos het team van Makarov een ander pad. Ze gebruikten een gemeenschappelijk magnetisch materiaal, ijzer-nikkellegering (bekend als Permalloy), om gebogen objecten zoals paraboolvormige stroken te bouwen. Met behulp van lithografie, ze vormden verschillende parabolische stroken van enkele micrometers uit dunne vellen Permalloy.

De natuurkundigen stelden de monsters vervolgens bloot aan een magnetisch veld, waardoor de magnetische momenten in de parabool langs dit magnetische veld worden georiënteerd. Vervolgens onderzochten ze experimenteel de omkering van de magnetisatie met behulp van een zeer gevoelige analysemethode bij de synchrotron van HZB. Het team kon aantonen dat de magnetische momenten in de parabolische strip in hun oorspronkelijke richting bleven totdat een omgekeerd magnetisch veld van een bepaalde kritische waarde werd aangelegd.

Verrassend sterk effect

Deze vertraagde reactie is te wijten aan chirale effecten die worden veroorzaakt door de kromming in het topgebied van de paraboolstroken. "Theoretici hebben dit ongewone gedrag al enige tijd voorspeld, maar het werd eigenlijk meer als een theoretische truc beschouwd, " legt Dr. Florian Kronast van Helmholtz-Zentrum Berlin uit. "Maar nu hebben we aangetoond dat deze truc in de praktijk ook werkt. We hebben magnetische chirale respons gedetecteerd in een conventioneel zacht ferromagnetisch materiaal, gewoon door de geometrische kromming van de strips die we gebruikten."

In het proces, stond het team voor nog twee verrassingen:aan de ene kant het effect was opmerkelijk sterk, wat betekent dat het kan worden gebruikt om de magneto-elektrische reacties van materialen te beïnvloeden. Anderzijds, het effect werd gedetecteerd in een relatief groot object:parabolen ter grootte van een micrometer die kunnen worden geproduceerd met conventionele lithografie. Eerder, experts hadden aangenomen dat deze door kromming veroorzaakte chirale effecten alleen konden worden waargenomen in magnetische objecten met afmetingen van ongeveer een dozijn nanometers.

"Wat de mogelijke toepassingen betreft, we kijken uit naar nieuwe magnetische schakelaars en gegevensopslagapparaten die gebruikmaken van geometrisch geïnduceerde chirale eigenschappen, " benadrukt Makarov. Er zijn concepten die toekomstige digitale gegevensopslag in bepaalde magnetische objecten voorzien, zogenaamde chirale domeinmuren of skyrmionen. De recente ontdekking zou kunnen helpen om dergelijke objecten vrij gemakkelijk te produceren - bij kamertemperatuur, en het gebruik van gewone materialen. In aanvulling, het nieuw ontdekte effect maakt ook de weg vrij voor nieuwe, zeer gevoelige magnetische veldsensoren.