(Phys.org) -- Het fenomeen in ferromagnetische nanoschijven van magnetische wervels - orkanen met magnetisme van slechts een paar atomen in doorsnede - heeft grote belangstelling gewekt in de hightechgemeenschap vanwege de mogelijke toepassing van deze wervels in niet-vluchtig Random Access Memory (RAM) gegevensopslagsystemen. Nieuwe bevindingen van wetenschappers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) geven aan dat de weg naar magnetische vortex RAM moeilijker te navigeren is dan eerder werd aangenomen, maar er kunnen ook onverwachte beloningen zijn.

In een experiment dat mogelijk werd gemaakt door de unieke röntgenstralen van Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), een team van onderzoekers onder leiding van Peter Fischer en Mi-Young Im van het Center for X-Ray Optics (CXRO), in samenwerking met wetenschappers in Japan, ontdekte dat, in tegenstelling tot wat eerder werd gedacht, de vorming van magnetische wervels in ferromagnetische nanoschijven is een asymmetrisch fenomeen. Het is mogelijk dat dit verbreken van de symmetrie zou leiden tot een storing in een gegevensopslagapparaat tijdens het initialisatieproces.

"Onze experimentele demonstratie dat de vortextoestand in een enkele magnetische nanoschijf symmetrie-breking ervaart tijdens de vorming, betekent dat voor gegevensopslagdoeleinden, er zou waarschijnlijk een langdurig verificatieproces nodig zijn om fouten te corrigeren, ' zegt ik. “Aan de positieve kant, niet-symmetrisch gedrag creëert een vertekenend effect dat kan worden toegepast op een sensor of een logisch apparaat.

“Onze studie is ook een mooi voorbeeld van mesoschaalwetenschap, die de nanowetenschap van het afgelopen decennium naar een hoger niveau tilt, ', zegt Fischer. "Mesoschaalfenomenen omvatten complexiteit en functionaliteit over verschillende lengteschalen."

Im en Fischer beschrijven deze studie in een paper gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Het artikel is getiteld "Symmetry breaking in the vorming van magnetische vortex toestanden in een permalloy nanodisk." Co-auteur van dit artikel was Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani en Teruo Ono.

Magnetische vortextoestanden worden gegenereerd in ferromagnetische nanoschijven omdat de spin van elektronen, die aanleiding geeft tot magnetische momenten, moet de vorm van de schijf volgen om sluiting van magnetische fluxlijnen te verzekeren. Dit resulteert in het krullen van de magnetisatiefluxlijnen in het vlak. In het midden van deze krullende fluxlijnen bevindt zich een naaldachtige kern, een "oog-van-de-orkaan" die naar boven of naar beneden wijst ten opzichte van het oppervlaktevlak van de nanodisk.

“De magnetisatie van de ferromagnetische nanoschijf bestaat dus uit twee componenten, de op- of neerwaartse polariteit van de kern en de chiraliteit (rotatie) van de magnetisatie in het vlak, die met de klok mee of tegen de klok in kan zijn, ' zegt ik. "Er is voorgesteld dat deze vier onafhankelijke oriëntaties kunnen worden gebruikt om binaire gegevens op te slaan in nieuwe niet-vluchtige opslagapparaten."

"De veronderstelling was dat magnetische vortextoestanden een perfecte symmetrie zouden vertonen die vereist is voor op vortex gebaseerde gegevensopslagapparaten, omdat de energietoestanden van de vier oriëntaties equivalent waren, wat betekent vier logische waarden per eenheid, ', zegt Fischer. “Echter, laten we zien dat als je een voldoende groot ensemble van nanoschijven analyseert, dit is niet het geval. Onze resultaten laten zien hoe gedrag op mesoschaal aanzienlijk kan verschillen van gedrag op nanoschaal."

De sleutel tot de ontdekking van het breken van de symmetrie van magnetische vortex was het vermogen van het onderzoeksteam om tegelijkertijd zowel chiraliteit als polariteit waar te nemen in een groot aantal nanoschijven. Eerdere studies waren gericht op de chiraliteit of polariteit in een enkele schijf. Deze gelijktijdige waarneming werd bereikt met behulp van de XM-1 röntgenmicroscoop bij ALS-bundellijn 6.1.2. XM-1 biedt full-field magnetische transmissie zachte röntgenmicroscopie met ruimtelijke resolutie tot 20 nanometer, mede dankzij de hoogwaardige röntgenoptica van CXRO-onderzoekers.

"Magnetische transmissie zachte röntgenmicroscopie biedt beeldvorming met hoge ruimtelijke en temporele resolutie met elementspecifiek magnetisch contrast, waardoor het een ideale methode is voor het bestuderen van spindynamiek op nanoschaal, zoals vortexkerndynamiek, ' zegt ik. "XM-1 biedt een groot gezichtsveld en daarom zeer korte belichtingstijden per schijf."

Ik ben, Fischer en hun collega's maakten nanoschijven van permalloy, een nikkel- en ijzerlegering waarvan de magnetische eigenschappen volledig zijn gekarakteriseerd. Met behulp van elektronenstraallithografie maakten ze patronen in grote reeksen schijven, elk met een straal van 500 nanometer en een dikte van 100 nanometer. De arrays werden afgezet op siliciumnitridemembranen om voldoende transmissie van zachte röntgenstralen mogelijk te maken en gedurende enkele seconden in XM-1 belicht. In hun krant de auteurs concluderen dat de waargenomen symmetriebreking hoogstwaarschijnlijk het gevolg is van een combinatie van intrinsieke en extrinsieke factoren. Aangenomen wordt dat de intrinsieke factor een antisymmetrische koppeling is tussen de spins van twee elektronen, de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie. Extrinsieke factoren zijn onder meer defecten langs de randen van de nanoschijven en ruwe nanoschijfoppervlakken.

“Onze bevinding is zeker een nieuw natuurkundig fenomeen in magnetische wervels, die tot nu toe niet is onderzocht, ' zegt Im. "De statistische significantie van ons experimentele werk en onze rigoureuze 3D-micromagnetische simulatie voor het generatieproces van de vortextoestand biedt belangrijke nieuwe informatie voor de minder bekende fysica in het magnetisatieproces van nanoschijven."

"We hebben ook aangetoond dat deterministisch gedrag en functionaliteit op mesoschaal niet altijd kan worden geëxtrapoleerd vanuit zelfs een volledig begrip van gedrag op nanoschaal, ', zegt Fischer. “Met andere woorden, het begrijpen van een enkele LEGO-steen is misschien niet genoeg om een ​​groot en complex bouwwerk te bouwen.”

Im is de corresponderende auteur van het Nature Communications paper. Co-auteurs Yamada en Ono zijn verbonden aan de Universiteit van Kyoto, co-auteurs Sato en Nakatani zijn verbonden aan de University of Electro-Communications in Chofu, en co-auteur Kasai is verbonden aan het Japanse en het National Institute for Materials Science.