Aangezien nano-elektronica op fundamentele barrières stuit, de spin van een elektron, naast zijn lading, wordt gebruikt om informatie in elektronische apparaten te dragen. Dit vraagt ​​om nieuwe karakteriserings- en detectiemethoden van spinmodi in complexe magnetische structuren. Huidige technieken meten ofwel materiaaleigenschappen op de nanometer lengteschaal of op de picoseconde tijdschaal, echter, beide zijn tegelijkertijd nodig om een ​​compleet beeld te krijgen om toekomstige technologische ontwikkelingen vooruit te helpen.

Onderzoekers van de magnetische spectroscopiegroep van Diamond Light Source, de Universiteit van Oxford, en ShanghaiTech University hebben een nieuwe techniek voor diffractieve ferromagnetische resonantie (DFMR) ontwikkeld om de dynamiek van individuele spinmodi te achterhalen. DFMR combineert de kracht van twee meettechnieken, resonante elastische röntgenverstrooiing (REXS) voor het ophalen van de gedetailleerde spinstructuur van een magnetisch systeem, en door röntgenstraling gedetecteerde ferromagnetische resonantie (XFMR) voor toegang tot de elementselectieve magnetisatiedynamiek. De recente publicatie van het team in Nano Letters demonstreert hun DFMR-techniek door de spindynamiek van een multiferroïsch hexaferriet te bestuderen, die een groot potentieel heeft voor toepassingen voor informatieopslag.

Experimentele studies van magnetisatiedynamica

De studie van magnetisatiedynamica is cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe magnetische opslagmaterialen en apparaten, die meestal zijn samengesteld uit verschillende lagen. De meest gebruikte techniek, ferromagnetische resonantie (FMR), geeft alleen inzicht in de geïntegreerde magnetisatiedynamiek binnen deze complexe systemen. Hier biedt synchrotronstraling uitkomst. Gebruik makend van het X-ray magnetisch circulair dichroïsme (XMCD) effect, magnetisch en chemisch contrast wordt verkregen, wat het mogelijk maakt om de elementspecifieke magnetisatiedynamiek in door röntgenstraling gedetecteerde FMR te bestuderen.

De diffractieve FMR-techniek

De DFMR-techniek is een combinatie van REXS - die de statische magnetische structuur in de reciproke ruimte onthult - en XFMR, die wordt gebruikt om de tijdsafhankelijkheid van deze structuur te onthullen. Het onderzoeksteam voerde hun metingen uit in de RASOR-diffractometer op Diamond's I10-bundellijn, die zowel variabele monstertemperaturen als magnetische velden biedt. De invallende röntgenstralen zijn afgestemd op de L2, 3 absorptierand van het 3D-overgangsmetaalelement van belang, en aan de magnetische diffractievoorwaarde kan typisch worden voldaan voor spinmodulaties van 10s tot 100s nm. De magnetisatiedynamiek wordt stroboscopisch gesampled, gebruikmakend van de röntgenpulsstructuur van de synchrotron van 500 MHz (de hoofdoscillatorklok van de Diamond opslagring) en synchronisatie met een microgolfveld toegepast op het monster. Een vertragingslijn zorgt voor faseverschuiving van de microgolfoscillatie ten opzichte van de röntgenpulsen. Op deze manier, het magnetische signaal kan worden gevolgd als een functie van de vertraging tussen de microgolfexcitatie (pomp) en de aankomst van de röntgenbundel (sonde). DFMR combineert REXS en XFMR door de verandering in intensiteit van de verstrooide pieken te meten als gevolg van stroboscopisch onderzoek van de magnetische structuur. Een schematische weergave van de experimentele opstelling wordt getoond in figuur 1 samen met gemeten DFMR-vertragingsscans van de magnetische pieken als functie van de lineaire polarisatiehoek.

Volgende stappen

Innovatieve magnetische materialen hebben gespeeld, en zal blijven spelen, een spilfunctie voor de vergroting van de dataopslagcapaciteit voor de komende jaren. Hun voortdurende ontwikkeling, en vooral door de komst van complexe, topologisch geordende magnetische systemen, vereist geschikte ultragevoelige karakteriseringstools in hun eigen GHz-frequentiedomein. Met DFMR, het team heeft een belangrijk hulpmiddel ontwikkeld dat onderzoekers zal helpen bij hun zoektocht naar het synthetiseren en ontwikkelen van nieuwe skyrmion- en multiferroïsche materialen waarin geordende magnetische momenten kunnen worden gemanipuleerd via de toepassing van elektrische of magnetische velden, met als doel het ontwikkelen van dataverwerkingsoplossingen met een hoge dichtheid en een laag energieverbruik.

Hoofdauteur Dr. David Burn legt uit:

"Wij zijn van mening dat de ontwikkeling van diffractieve FMR een belangrijke doorbraak betekent voor spintronica, aangezien dit mogelijk is, Voor de eerste keer, de studie van dynamische magnetisatiemodi tot op nanoschaal met ruimtelijke, temporele en chemische resolutie. Deze lengteschaal, in combinatie met 10 GHz dynamisch bereik, is cruciaal voor de ontwikkeling van post-CMOS magnetische logica en geheugenapparaten. We zijn er zeker van dat het een aanzienlijke impact zal hebben op de bredere wetenschappelijke gemeenschap."