Met behulp van kwantumsensoren op nanoschaal, een internationaal onderzoeksteam is erin geslaagd om bepaalde voorheen onbekende fysische eigenschappen van een antiferromagnetisch materiaal te onderzoeken. Op basis van hun resultaten, de onderzoekers ontwikkelden een concept voor een nieuw opslagmedium gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica . Het project werd gecoördineerd door onderzoekers van de afdeling Natuurkunde en het Zwitserse Nanoscience Institute van de Universiteit van Basel.

Antiferromagneten vormen 90% van alle magnetisch geordende materialen. In tegenstelling tot ferromagneten zoals ijzer, waarin de magnetische momenten van de atomen evenwijdig aan elkaar zijn georiënteerd, de oriëntatie van de magnetische momenten in antiferromagneten wisselt tussen naburige atomen. Als gevolg van de opheffing van de wisselende magnetische momenten, antiferromagnetische materialen lijken niet-magnetisch en genereren geen extern magnetisch veld.

Antiferromagneten zijn veelbelovend voor opwindende toepassingen in gegevensverwerking, omdat de oriëntatie van hun magnetische moment - in tegenstelling tot de ferromagneten die in conventionele opslagmedia worden gebruikt - niet per ongeluk door magnetische velden kan worden overschreven. In recente jaren, dit potentieel heeft geleid tot het ontluikende onderzoeksveld van antiferromagnetische spintronica, dat is de focus van talrijke onderzoeksgroepen over de hele wereld.

Kwantumsensoren zorgen voor nieuwe inzichten

In samenwerking met de onderzoeksgroepen onder leiding van Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum in Dresden, Duitsland) en professor Denis D. Sheka (Taras Sevchenko Nationale Universiteit van Kiev, Oekraïne), het team onder leiding van professor Patrick Maletinsky in Bazel onderzocht een eenkristal van chroom(III)oxide (Cr2O3). Dit eenkristal is een bijna perfect geordend systeem, waarin de atomen zijn gerangschikt in een regelmatig kristalrooster met zeer weinig defecten. "We kunnen het eenkristal zodanig veranderen dat er twee gebieden (domeinen) ontstaan ​​waarin de antiferromagnetische orde verschillende oriëntaties heeft, " legt Natascha Hedrich uit, hoofdauteur van de studie.

Deze twee domeinen worden gescheiden door een domeinmuur. Daten, experimentele onderzoeken van dit soort domeinwanden in antiferromagneten zijn slechts in geïsoleerde gevallen en met beperkte details gelukt. "Dankzij de hoge gevoeligheid en uitstekende resolutie van onze kwantumsensoren, konden we experimenteel aantonen dat de domeinwand hetzelfde gedrag vertoont als een zeepbel, " legt Maletinsky uit. Als een zeepbel, de domeinwand is elastisch en heeft de neiging om zijn oppervlakte-energie te minimaliseren. Overeenkomstig, zijn traject weerspiegelt de antiferromagnetische materiaaleigenschappen van het kristal en kan met een hoge mate van precisie worden voorspeld, zoals bevestigd door simulaties uitgevoerd door de onderzoekers in Dresden.

Oppervlaktearchitectuur bepaalt traject

De onderzoekers benutten dit feit om het traject van de domeinmuur te manipuleren in een proces dat de sleutel vormt tot het voorgestelde nieuwe opslagmedium. Hiertoe, Het team van Maletinsky structureert selectief het oppervlak van het kristal op nanoschaal, kleine verhoogde vierkantjes achterlatend. Deze vierkanten veranderen vervolgens op een gecontroleerde manier de baan van de domeinwand in het kristal.

De onderzoekers kunnen de oriëntatie van de verhoogde vierkanten gebruiken om de domeinmuur naar de ene of de andere kant van het vierkant te leiden. Dit is het fundamentele principe achter het nieuwe concept voor gegevensopslag:als de domeinmuur "rechts" van een verhoogd vierkant loopt, dit kan een waarde van 1 vertegenwoordigen, terwijl de domeinmuur naar "links" een waarde van 0 zou kunnen vertegenwoordigen. Door gelokaliseerde verwarming met een laser, het traject van de domeinmuur kan herhaaldelijk worden gewijzigd, het opslagmedium herbruikbaar maken.

"Volgende, we gaan kijken of de domeinmuren ook verplaatsbaar zijn door middel van elektrische velden, Maletinsky legt uit. "Dit zou antiferromagneten geschikt maken als opslagmedium dat sneller is dan conventionele ferromagnetische systemen, terwijl het aanzienlijk minder energie verbruikt."