In werk dat een snellere, duurzamere en energiezuinigere manier van gegevensopslag voor consumenten en bedrijven, onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en hun collega's hebben een techniek ontwikkeld voor het afbeelden en bestuderen van een veelbelovende klasse magnetische apparaten met 10 keer meer detail dan optische microscopen.

Magnetische materialen hebben een groeiend aantal onderzoekers aangetrokken in de zoektocht om stukjes digitale informatie sneller op te slaan en te lezen. In een magnetisch systeem, gegevens worden gecodeerd door de richting van de magnetisatie:een staafmagneet waarvan de noordpool naar boven wijst, kan de binaire code "0, " terwijl dezelfde magneet met de noordpool naar beneden gericht een "1" kan vertegenwoordigen. magnetische geheugenapparaten kunnen informatie bewaren, zelfs als de stroom is uitgeschakeld.

Door te bepalen wanneer en hoe snel de magnetisatie kan worden omgedraaid zonder noemenswaardig elektrisch vermogen te verbruiken, wetenschappers hopen een bestaande technologie genaamd Magnetic Random Access Memory te verbeteren, of MRAM, tot een toonaangevend hulpmiddel voor lezen, schrijven en opslaan van informatie. MRAM is nog niet concurrerend met andere bestaande methoden voor gegevensopslag, zoals flash-RAM, maar biedt voordelen ten opzichte van de huidige technologieën, zoals een lager energieverbruik.

Om de belofte van MRAM te realiseren, onderzoekers onderzoeken de magnetische structuur op nanometerschaal van dunne metaalfilms die het potentieel hebben om te dienen als geheugenapparaten in MRAM. Bij NIST, Ian Gilbert en zijn collega's hebben een elektronenbeeldvormingstechniek met hoge resolutie gebruikt, ontwikkeld door natuurkundige John Unguris, om de nanostructuur van magnetische films te onderzoeken voor en nadat hun magnetisatie is omgekeerd.

De techniek, scanning elektronenmicroscopie met polarisatieanalyse (SEMPA), gebruikt een bundel elektronen die door een dunne film worden verstrooid om de topografie op nanoschaal te onthullen, vol met miniatuur heuvels en valleien, van het filmoppervlak. Elektronen die door de inkomende elektronenstraal van het oppervlak worden uitgestoten, worden ook gedetecteerd en gescheiden volgens de richting van hun spin - een kwantumeigenschap die de geladen deeltjes een intrinsiek impulsmoment en een klein magnetisch veld geeft. De richting van de spins van de uitgestoten elektronen onthult variaties in de magnetische structuur van het monster - veranderingen in de richting van magnetisatie - op een schaal die ongeveer 10 keer kleiner is dan gezien met een optische microscoop.

Het vermogen van SEMPA om minuscule magnetische structuren te onderscheiden is van cruciaal belang omdat ingenieurs steeds kleinere magnetische geheugenapparaten fabriceren, merkte Gilbert op. Met SEMPA, "we kunnen deze echt fijne texturen zien in de magnetisatie, " hij zei.

Gilbert en zijn medewerkers, waaronder wetenschappers van NIST en de Universiteit van Maryland, gebruikten ook elektronenspin om de magnetisatie in hun dunnefilmmonster om te draaien, een legering van kobalt, ijzer en boor. Door een kleine elektrische stroom door een onderliggende strook van een niet-magnetische metaalfilm zoals platina te leiden, het team creëerde een stroom elektronen waarvan de spins allemaal in dezelfde richting wijzen. Wanneer deze stroom van elektronen, bekend als een spinstroom, doorgegeven door de magnetische dunne film, hun spin oefende een kleine draaiende kracht uit, of koppel, op de magnetische gebieden van de film. Het koppel was groot genoeg om de magnetisatie te roteren en om te keren.

De SEMPA-afbeeldingen die zijn genomen voordat een stroom werd aangelegd, onthulden dat de richting van de magnetisatie varieerde, op nanoschaal, over het dunnefilmmonster. Elk klein gebied van het monster heeft zijn eigen voorkeursas waarlangs de magnetisatiepunten, zei Gilbert. Het team rapporteerde onlangs zijn bevindingen in het tijdschrift Fysieke beoordeling B .

Dergelijke variaties op nanoschaal van de magnetisatie kunnen cruciaal worden om te documenteren, zei Gilbert, voor ingenieurs die de prestaties van een magnetisch geheugenapparaat proberen te optimaliseren. De variatie in magnetisatierichting zou ook van invloed kunnen zijn op het vermogen van elektronenspin om de magnetisatie om te draaien.

"In plaats van magnetisatie omhoog of omlaag te draaien, de spinstroom draait de magnetisatie langs wat de voorkeurs lokale [spin] as ook is, " merkt Gilbert op. De variatie in magnetisatierichting suggereert dat materialen die worden gebruikt voor magnetische geheugenapparaten mogelijk voorzichtig moeten worden verwarmd, een proces dat magnetische domeinen op nanoschaal uitlijnt.

In apart werk, NIST-wetenschappers Mark Stiles en Vivek Amin, die een gezamenlijke aanstelling heeft met de Universiteit van Maryland, focus op de theorie die het koppel beschrijft dat is gemeten in de SEMPA-experimenten. Daar, een stroom van gepolariseerde elektronen gegenereerd in een niet-magnetische metalen strip interageert met de magnetisatie van een bovenliggend materiaal. Vooral, het team heeft een model ontwikkeld dat kan helpen bepalen welke groep gepolariseerde elektronen de belangrijkste rol spelen bij het omkeren van de richting van magnetisatie in aangrenzend materiaal - die afkomstig zijn aan het oppervlak van het niet-magnetische materiaal of die van binnenuit.

Het antwoord zou de fabricage van efficiëntere magnetische geheugenapparaten kunnen leiden. Bijvoorbeeld, bepalen welke groep elektronen de dominante actoren zijn, zou manieren kunnen voorstellen om de stroom te minimaliseren die nodig is om de magnetisatie om te keren, zei Stiles.

"Direct, we zijn bezig het model bekend te maken aan experimentatoren, proberen ze het te laten gebruiken om hun gegevens beter te begrijpen, " hij merkte.