Wetenschap
Spintronica:een nieuw pad naar wervelende spintexturen op kamertemperatuur
In sommige materialen vormen spins complexe magnetische structuren binnen de nanometer- en micrometerschaal waarin de magnetisatierichting in specifieke richtingen draait en krult. Voorbeelden van dergelijke structuren zijn magnetische bellen, skyrmionen en magnetische wervelingen.
Spintronics streeft ernaar gebruik te maken van zulke kleine magnetische structuren om gegevens op te slaan of logische bewerkingen uit te voeren met een zeer laag stroomverbruik vergeleken met de huidige dominante micro-elektronische componenten. Het genereren en stabiliseren van de meeste van deze magnetische texturen is echter beperkt tot een paar materialen en is haalbaar onder zeer specifieke omstandigheden (temperatuur, magnetisch veld, enz.).
Een internationale samenwerking onder leiding van HZB-natuurkundige Dr. Sergio Valencia heeft nu een nieuwe aanpak onderzocht die kan worden gebruikt om complexe spintexturen, zoals radiale wervelingen, in een verscheidenheid aan verbindingen te creëren en te stabiliseren. In een radiale vortex wijst de magnetisatie naar of weg van het midden van de structuur. Dit type magnetische configuratie is doorgaans zeer onstabiel.
Binnen deze nieuwe aanpak worden radiale wervels gecreëerd met behulp van supergeleidende structuren, terwijl de aanwezigheid van oppervlaktedefecten hun stabilisatie bereikt.
Supergeleidende YBCO-eilanden
Monsters bestaan uit eilanden ter grootte van een micrometer, gemaakt van de hogetemperatuur-supergeleider YBCO waarop een ferromagnetische verbinding is afgezet. Bij afkoeling van het monster tot onder 92 Kelvin (-181 °C) komt YBCO in de supergeleidende toestand terecht.
In deze toestand wordt een extern magnetisch veld aangelegd en onmiddellijk verwijderd. Dit proces maakt de penetratie en vastzetting van magnetische fluxkwanta mogelijk, wat op zijn beurt een magnetisch strooiveld creëert.
Het is dit verdwaalde veld dat nieuwe magnetische microstructuren produceert in de bovenliggende ferromagnetische laag:spins komen radiaal uit het midden van de structuur, zoals in een radiale draaikolk.
De rol van defecten
Naarmate de temperatuur stijgt, gaat YBCO over van de supergeleidende toestand naar een normale toestand. Het verdwaalde veld gecreëerd door de YBCO-eilanden verdwijnt dus, en dat geldt ook voor de magnetische radiale vortex. HZB-onderzoekers en -medewerkers hebben echter waargenomen dat de aanwezigheid van oppervlaktedefecten dit verhindert:de radiale wervels behouden gedeeltelijk de ingeprinte toestand, zelfs wanneer ze de kamertemperatuur naderen.
"We gebruiken het magnetische veld dat wordt gegenereerd door de supergeleidende structuren om bepaalde magnetische domeinen in te drukken op de ferromagneten die erop zijn geplaatst en de oppervlaktedefecten om ze te stabiliseren. De magnetische structuren lijken op die van een skyrmion en zijn interessant voor spintronische toepassingen", legt Valencia uit. .
Geometrie is belangrijk
Kleinere ingeprinte wervels hadden een diameter van ongeveer 2 micrometer, ongeveer 10 keer zo groot als typische skyrmionen. Het team bestudeerde monsters met cirkelvormige en vierkante geometrieën en ontdekte dat cirkelvormige geometrieën de stabiliteit van ingeprinte magnetische radiale wervels vergrootten.
"Dit is een nieuwe manier om dergelijke structuren te creëren en te stabiliseren en kan worden toegepast in een verscheidenheid aan ferromagnetische materialen. Dit zijn goede nieuwe perspectieven voor de verdere ontwikkeling van supergeleidende spintronica", zegt Valencia.
Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift ACS Applied Materials &Interfaces .