Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en ETH Zürich hebben een bijzonder fenomeen van magnetisme in het nanobereik ontdekt. Hierdoor kunnen magneten in ongebruikelijke configuraties worden gemonteerd. Dit zou kunnen worden gebruikt om computergeheugens en schakelaars te bouwen om de prestaties van microprocessors te verbeteren. De resultaten van dit werk zijn nu gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

Magneten kenmerken zich doordat ze een noordpool en een zuidpool hebben. Als twee gemeenschappelijke magneten dicht bij elkaar worden gehouden, tegengestelde polen trekken elkaar aan en gelijke polen stoten elkaar af. Dit is de reden waarom magnetische naalden, zoals die gevonden worden in een kompas, zich uitlijnen in het magnetisch veld van de aarde, zodat we ze kunnen gebruiken om de windrichtingen noord en zuid te bepalen en, hiervan afgeleid, Oost en West. In de wereld die we elke dag met onze zintuigen beleven, deze regel is correct. Echter, als je de macroscopische wereld verlaat en duikt in diepten van veel kleinere afmetingen, dit verandert. Onderzoekers van het Paul Scherrer Instituut PSI en de ETH Zürich hebben nu een heel bijzondere magnetische interactie ontdekt op het niveau van nanoscopische structuren gemaakt van magnetische lagen van slechts enkele atomen dik.

De atomen werken als kleine kompasnaalden en ontvouwen hun effect over kleine afstanden in het nanometerbereik, dat wil zeggen een paar miljoenste van een millimeter. Daarom noemen onderzoekers ze ook wel nanomagneten.

Het fenomeen dat onderzoekers van PSI nu hebben kunnen waarnemen, is gebaseerd op een interactie die de twee natuurkundigen Igor Dzyaloshinskii en Toru Mariya meer dan 60 jaar geleden voorspelden. "Dat was ons uitgangspunt", zegt Zhaochu Luo, natuurkundige bij PSI en ETH Zürich.

Noordwest- en Zuidoost-koppeling van atomen

In deze interactie, de atomaire kompasnaalden zijn niet alleen uitgelijnd in een noord-zuid richting, maar ook in Oost-West richting. "Waar ze wijzen hangt af van hoe de atomen in hun omgeving zich oriënteren", zegt Zhaochu Luo, eerste auteur van de studie. Bijvoorbeeld, als een groep atomen naar het noorden wijst, de naburige groep wijst altijd naar het westen. En als een groep atomen naar het zuiden wijst, dan oriënteren de naburige atomen zich naar het oosten.

Deze oriëntaties kunnen worden omgekeerd door magnetische velden of elektrische stromen, dat is van Noord naar Zuid en vice versa. De naburige atoomgroepen heroriënteren zich dan dienovereenkomstig, ofwel van west naar oost of omgekeerd.

De onderzoekers ontdekten de koppeling van de noordwest- en zuidoostoriëntatie met behulp van een laag kobaltatomen van slechts 1,6 nanometer dik, die was ingeklemd tussen een platinalaag aan de ene kant en een aluminiumoxidelaag aan de andere. "De ontwikkeling van deze speciale lagen voor onze experimenten alleen al duurde ongeveer een half jaar", zegt Zhaochu Luo. Hij werkt in de Mesoscopic Systems onderzoeksgroep bij PSI onder leiding van Laura Heyderman, die ook professor is aan de ETH Zürich.

Wat ongebruikelijk is, is dat deze interactie zijdelings plaatsvindt, dat is in één vlak. Eerder, vergelijkbare koppelingen tussen nanomagneten konden alleen verticaal worden gedetecteerd, met groepen atomen die boven elkaar zijn gerangschikt.

The phenomenon observed jointly by PSI and ETH Zurich researchers enables the development of planar magnetic networks. Onder andere, synthetic antiferromagnets can be produced. In these antiferromagnets, atomic groups point either North or South at regular intervals. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, at first glance, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.

The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, bijvoorbeeld, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.

Logical gates for computers

The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.

According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Wetenschap .