Onderzoekers van de UAB, ICMAB en de ALBA Synchrotron, in samenwerking met de UB en ICN2, hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om de eigenschappen van een metamagnetisch materiaal lokaal te wijzigen. De methode bestaat uit het uitoefenen van lokale druk op het oppervlak van het materiaal met behulp van nanometrische naalden en maakt een veel gemakkelijkere en lokale wijziging mogelijk dan de huidige methoden. Het onderzoek opent de deur naar een meer accurate en precieze controle van magnetische materialen en maakt het mogelijk om de architectuur en capaciteit van magnetische digitale geheugens te verbeteren.

Sommige geheugenapparaten waarop informatie van smartphones en computers wordt opgeslagen, zijn gebaseerd op een zeer nauwkeurige controle van de magnetische eigenschappen, op nanoscopische schaal. Hoe nauwkeuriger deze controle is, hoe meer opslagcapaciteit en snelheid ze kunnen hebben. In bepaalde gevallen, de combinatie van ferromagnetisme (waarbij het magnetisme van alle atomen in de stof in dezelfde richting wijst) en antiferromagnetisme (waarbij het magnetisme van de atomen in de stof afwisselend in tegengestelde richtingen wijst) wordt gebruikt om de informatie op te slaan. Een van de materialen die deze twee arrangementen kunnen vertonen, is de legering van ijzer en rhodium (FeRh), omdat het een metamagnetische overgang vertoont tussen deze twee fasen bij een temperatuur die zeer dicht bij kamertemperatuur ligt. Vooral, het kan bij verhitting eenvoudig van toestand veranderen van antiferromagnetisch naar ferromagnetisch. De antiferromagnetische staat is robuuster en veiliger dan de ferromagnetische, omdat het niet gemakkelijk wordt gewijzigd door de aanwezigheid van magneten in de buurt, d.w.z. een extern magnetisch veld kan de informatie niet gemakkelijk wissen.

Een team van onderzoekers van de UAB, de ICMAB, en de ALBA Synchrotron, samen met wetenschappers van de UB en het ICN2, hebben mechanische druk gebruikt om deze overgang te wijzigen en de antiferromagnetische toestand te stabiliseren. De onderzoekers hebben waargenomen dat het indrukken van het oppervlak van de ijzer-rhodiumlegering met een naald ter grootte van een nanometer ervoor zorgt dat de magnetische toestand op een eenvoudige en gelokaliseerde manier verandert. Door op verschillende delen van het materiaal te drukken, de onderzoekers zijn erin geslaagd om antiferromagnetische nano-eilanden te genereren die zijn ingebed in een ferromagnetische matrix, een zeer moeilijke taak met de huidige beschikbare technieken. Als het proces wordt herhaald over het hele oppervlak van de legering, de nieuwe techniek kan deze verandering induceren over grote delen van het materiaal en patronen tekenen met nanoscopische resolutie met gebieden met verschillende magnetische eigenschappen, het genereren van structuren die zo klein zijn als die welke momenteel kunnen worden bereikt met behulp van meer complexe methoden.

Verbetering om magnetische apparaten te miniaturiseren

Dit is een grote verbetering om de patronen te miniaturiseren die met magnetische materialen kunnen worden gebouwd, een verbetering van de resolutie van de tools die ingenieurs gebruiken om de magnetische apparaten te ontwerpen van de technologie die we dagelijks gebruiken. "Het idee is heel eenvoudig, " legt Ignasi Fina uit, onderzoeker aan het Institute of Materials Science van Barcelona (ICMAB-CSIC), "bij faseovergangen, alles wat je met het materiaal doet, heeft een grote impact op de andere eigenschappen. Onze legering heeft een magnetische faseovergang. Met een naald ter grootte van een nanometer veranderen we de magnetische volgorde door simpelweg op het materiaal te drukken. specifiek, het verandert van ferromagnetisch naar antiferromagnetisch. En aangezien de naald nanometrisch is, de verandering is op nanoschaal."

"De nieuwe techniek, gebaseerd op het uitoefenen van druk met behulp van nanonaalden, kan de constructie mogelijk maken van magnetische nanometrische apparaten met veel kleinere structuren en veel robuuster en veiliger dan de huidige, het vergemakkelijken van de vervaardiging van magnetische geheugens met verschillende architecturen die hun capaciteiten verbeteren, " zegt ICREA-onderzoeker van het departement Natuurkunde aan de UAB, Jordi Sort.

Er zijn andere technieken gebaseerd op de toepassing van spanning of intense magnetische velden om de stabiliteit van de antiferromagnetische fase van de legering te vergroten, maar ze veroorzaken grootschalige veranderingen in het hele materiaal, die de controle- en miniaturisatiecapaciteit beperken. Zeer gelokaliseerd druk uitoefenen biedt ongekende nauwkeurigheid, die alleen kleine lokale gebieden op nanometrische schaal beïnvloeden. Bij het indrukken, de overgangstemperatuur van de legering neemt toe, de temperatuur waarbij de toestand verandert, die de verandering in zijn magnetisatie inhoudt.

Om de magnetische veranderingen rond een individuele inkeping op nanoschaal op te lossen, het werk gebruikte de foto-emissie-elektronenmicroscopie gecombineerd met röntgenmagnetisch circulair dichroïsme bij de CIRCE-PEEM-bundellijn van de ALBA Synchrotron. "Onze op synchrotron-licht gebaseerde technieken maken het mogelijk om de veranderingen op zeer kleine schaal op te lossen, " legt Michael Foerster uit, beamline-wetenschapper bij ALBA.

Toepassingen op andere gebieden

De mogelijke toepassingen gaan verder dan magnetische materialen. Het feit dat de eigenschappen van een materiaal worden gewijzigd door druk uit te oefenen, d.w.z., door het celvolume van zijn kristallijne structuur te wijzigen, kan worden geëxtrapoleerd naar andere soorten materialen. Onderzoekers geloven dat deze techniek de deur opent naar een nieuwe manier van nanostructurering van de fysieke en functionele eigenschappen van materialen, en het implementeren van nieuwe architecturen in andere soorten niet-magnetische nanodevices en microdevices.

Het onderzoek is gemarkeerd op de omslag van de nieuwste editie van het tijdschrift Materialen Horizons .