Een multinationaal team van onderzoekers van de Tohoku University en instellingen in het VK, Duitsland en Zwitserland hebben de magnetische toestanden van gyroïden op nanoschaal onthuld, 3-D chirale netwerkachtige nanostructuren. De bevindingen voegen een nieuw kandidaatsysteem toe voor onderzoek naar onconventionele informatieverwerking en opkomende fenomenen die relevant zijn voor spintronica.

Arrays van op elkaar inwerkende nanostructuren bieden de mogelijkheid om ongekende materiaaleigenschappen te realiseren, omdat interacties kunnen leiden tot nieuwe, "opkomende" verschijnselen. In magnetisme, dergelijke opkomende verschijnselen zijn tot nu toe alleen aangetoond in 2-D, in kunstmatige spin-ijs en magnonische kristallen. Echter, vooruitgang in de richting van het realiseren van magnetische "metamaterialen, " die de basis zou kunnen vormen van geavanceerde spintronische apparaten door opkomende effecten in 3D weer te geven, werd gehinderd door twee obstakels. De eerste is de noodzaak om complexe 3D-bouwstenen te fabriceren met afmetingen kleiner dan 100 nm (vergelijkbaar met intrinsieke magnetische lengteschalen) en de tweede is de uitdaging om hun magnetische configuraties te visualiseren.

Het onderzoeksteam besloot daarom magnetische gyroïden op nanoschaal te bestuderen, 3D-netwerken samengesteld uit 3 verbonden hoekpunten gedefinieerd door triaden van gebogen nanodraad-achtige stutten (Figuur 1). Gyroids hebben veel belangstelling getrokken, omdat ze ondanks hun complexiteit zichzelf kunnen assembleren uit een zorgvuldig samengestelde combinatie van polymeren, die kan worden gebruikt als een 3D-mal of sjabloon om vrijstaande nanostructuren te vormen (Figuur 2). Terwijl de stutten verbinden om spiralen te vormen, gyroïden hebben een "handigheid" of chiraliteit, en hun vorm maakt magnetische gyroïden ideale systemen om voorspellingen te testen van nieuwe magnetische eigenschappen die voortkomen uit kromming. Metingen van de optische eigenschappen van gyroïden toonden zelfs aan dat gyroïden topologische eigenschappen kunnen hebben, die samen met chirale effecten momenteel het onderwerp zijn van intensief onderzoek om nieuwe klassen spintronische apparaten te ontwikkelen. Echter, de magnetische toestanden die in gyroïden zouden kunnen bestaan, waren nog niet vastgesteld, leidend tot de huidige studie.

De onderzoekers produceerden Ni ₇₅ Fe ₂₅ single-gyroid en double-gyroid (gevormd uit een spiegelbeeld paar single-gyroids) nanostructuren met 11 nm diameter stutten en een 42 nm eenheidscel, via blokcopolymeertemplating en elektrodepositie. Deze afmetingen zijn vergelijkbaar met domeinwandbreedtes en spingolfgolflengten in Ni-Fe. Vervolgens beeldden ze de gyroid-nanodeeltjes af met off-axis elektronenholografie, die de magnetisatie en verdwaalde magnetische veldpatronen in en rond de stutten van de gyroïden in kaart kunnen brengen met een ruimtelijke resolutie van nanometer. Analyse van de patronen met behulp van eindige-elementen micromagnetische simulaties onthulde een zeer ingewikkelde magnetische toestand die over het algemeen ferromagnetisch is maar zonder een unieke evenwichtsconfiguratie (Figuur 3), wat impliceert dat een magnetische gyroid een groot aantal stabiele toestanden kan aannemen.

"Deze bevindingen stellen magnetische gyroïden vast als een interessante kandidaat voor toepassingen zoals reservoircomputing en spin-golflogica, " zei hoofdauteur Justin Llandro." Het onderzoek zet een spannende eerste stap in de richting van 3-D magnetische metamaterialen op nanoschaal die kunnen worden gebruikt om nieuwe opkomende effecten te ontdekken en zowel fundamenteel als toegepast spintronica-onderzoek te bevorderen."