Onderzoekers van PSI hebben voor het eerst waargenomen hoe kleine magneten in een speciale lay-out zichzelf uitsluitend uitlijnen als gevolg van temperatuurveranderingen. Deze kijk op processen die plaatsvinden in zogenaamd kunstmatig spinijs, zou een belangrijke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe krachtige computers. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics .

Wanneer water bevriest om ijs te vormen, rangschikken de watermoleculen zich met hun waterstof- en zuurstofatomen in een complexe structuur. Water en ijs zijn verschillende fasen en de transformatie van water naar ijs wordt een faseovergang genoemd. In het laboratorium kunnen kristallen worden gemaakt waarin de elementaire magnetische momenten, de zogenaamde spins, structuren vormen die vergelijkbaar zijn met ijs. Daarom noemen onderzoekers deze structuren ook wel spinijs. "We hebben kunstmatig spin-ijs gemaakt, dat in wezen bestaat uit nanomagneten die zo klein zijn dat hun oriëntatie alleen kan veranderen als gevolg van de temperatuur", legt natuurkundige Kevin Hofhuis uit, die net zijn proefschrift heeft afgerond bij PSI en nu werkt aan de Yale University in de VS.

In het materiaal dat de onderzoekers gebruikten, zijn de nanomagneten gerangschikt in hexagonale structuren - een patroon dat bekend is uit de Japanse kunst van het mandenvlechten onder de naam kagome. "Magnetische faseovergangen waren theoretisch voorspeld voor kunstmatig kagome-spinijs, maar ze zijn nog nooit eerder waargenomen", zegt Laura Heyderman, hoofd van het Laboratory for Multiscale Materials Experiments bij PSI en een professor aan ETH Zürich. "De detectie van faseovergangen is nu alleen mogelijk dankzij het gebruik van ultramoderne lithografie om het materiaal in de PSI-cleanroom te produceren, evenals een speciale microscopiemethode bij de Swiss Light Source SLS." Het tijdschrift Natuurfysica publiceert nu de resultaten van deze experimenten.

De truc:kleine magnetische bruggen

Voor hun monsters gebruikten de onderzoekers een nikkel-ijzerverbinding genaamd permalloy, die als een dunne film op een siliciumsubstraat was gecoat. Ze gebruikten een lithografieproces om herhaaldelijk een klein, zeshoekig patroon van nanomagneten te vormen, waarbij elke nanomagneet ongeveer een halve micrometer (miljoensten van een meter) lang en een zesde van een micrometer breed was. Maar dat is niet alles. "De truc was dat we de nanomagneten met kleine magnetische bruggetjes verbonden", zegt Hofhuis. "Dit leidde tot kleine veranderingen in het systeem waardoor we de faseovergang zo konden afstemmen dat we het konden waarnemen. Deze bruggen moesten echter heel klein zijn, omdat we het systeem niet wilden veranderen te veel."

De natuurkundige is nog steeds verbaasd dat deze onderneming daadwerkelijk is geslaagd. Met de creatie van de nanobruggen stootte hij op de grenzen van de technisch mogelijke ruimtelijke resolutie van de huidige lithografische methoden. Sommige bruggen zijn slechts tien nanometer (miljardste van een meter) breed. De ordes van grootte in dit experiment zijn inderdaad indrukwekkend, zegt Hofhuis:"Hoewel de kleinste structuren op ons monster in het nanometerbereik liggen, heeft het instrument om ze in beeld te brengen - SLS - een omtrek van bijna 300 meter." Heyderman voegt toe:"De structuren die we onderzoeken zijn 30 miljard keer kleiner dan de instrumenten waarmee we ze onderzoeken."

Microscopie en theorie

Bij de SIM-bundellijn van SLS gebruikte het team een ​​speciale methode, foto-emissie-elektronenmicroscopie genaamd, die het mogelijk maakte om de magnetische toestand van elke individuele nanomagneet in de array te observeren. Ze werden actief ondersteund door Armin Kleibert, de wetenschapper die verantwoordelijk is voor SIM. "We were able to record a video that shows how the nanomagnets interact with each other as we change the temperature," summarizes Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.

"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Verder verkennen

Printing circuits on rare nanomagnets puts a new spin on computing