(Phys.org) -- Fenomenet i ferromagnetiska nanoskivor av magnetiska virvlar – orkaner av magnetism som bara är ett fåtal atomer tvärs över – har skapat ett intensivt intresse i högteknologiska samfundet på grund av den potentiella tillämpningen av dessa virvlar i icke-flyktiga Random Access Memory (RAM) datalagringssystem. Nya rön från forskare vid det amerikanska energidepartementet (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) indikerar att vägen till magnetisk virvel-RAM kan vara svårare att navigera än tidigare antagit, men det kan finnas oväntade belöningar också.

I ett experiment som möjliggjorts av de unika röntgenstrålarna vid Berkeley Labs avancerade ljuskälla (ALS), ett team av forskare ledda av Peter Fischer och Mi-Young Im från Center for X-Ray Optics (CXRO), i samarbete med forskare i Japan, upptäckte att i motsats till vad man tidigare trott, bildandet av magnetiska virvlar i ferromagnetiska nanodiskar är ett asymmetriskt fenomen. Det är möjligt att detta symmetribrott skulle leda till fel i en datalagringsenhet under dess initialiseringsprocess.

"Vår experimentella demonstration att virveltillståndet i en enda magnetisk nanodisk upplever symmetribrott under bildning betyder att för datalagringsändamål, det skulle förmodligen behövas en lång verifieringsprocess för att korrigera för fel, " säger jag. "På plussidan, icke-symmetriskt beteende skapar en förspänningseffekt som kan appliceras på en sensor eller en logisk enhet."

"Vår studie är också ett bra exempel på mesoscale vetenskap, som tar det senaste decenniets nanovetenskap till nästa nivå, säger Fischer. "Mesoskaliga fenomen omfattar komplexitet och funktionalitet över olika längdskalor."

Im och Fischer beskriver denna studie i en artikel publicerad i tidskriften Naturkommunikation . Tidningen har titeln "Symmetribrott i bildandet av magnetiska virveltillstånd i en permalloy nanodisk." Medförfattare till denna artikel var Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani och Teruo Ono.

Magnetiska virveltillstånd genereras i ferromagnetiska nanodiskar eftersom elektronernas spinn, som ger upphov till magnetiska moment, måste följa skivans form för att säkerställa stängning av magnetiska flödeslinjer. Detta resulterar i krullning av magnetiseringsflödeslinjerna i planet. I mitten av dessa krullande fluxlinjer finns en nålliknande kärna, en "eye-of-the-orcane" som pekar antingen uppåt eller nedåt i förhållande till nanodiskens ytplan.

"Magnetiseringen av den ferromagnetiska nanodisken har därför två komponenter, kärnans upp- eller nedpolaritet och kiraliteten (rotationen) för magnetiseringen i planet, som kan vara antingen medurs eller moturs, " säger jag. "Det har föreslagits att dessa fyra oberoende orienteringar kan användas för att lagra binär data i nya icke-flyktiga lagringsenheter."

"Antagandet har varit att magnetiska virveltillstånd skulle uppvisa en perfekt symmetri som krävs för virvelbaserade datalagringsenheter eftersom energitillstånden för de fyra orienteringarna var ekvivalenta, betyder fyra logiska värden per enhet, säger Fischer. "Men vi visar att om du analyserar en tillräckligt stor ensemble av nanodiskar, så är inte fallet. Våra resultat visar hur mesoskala beteende kan skilja sig betydligt från nanoskala beteende."

Nyckeln till upptäckten av magnetisk virvelsymmetribrytning var forskargruppens förmåga att samtidigt observera både kiralitet och polaritet i ett stort antal nanodiskar. Tidigare studier fokuserade på antingen kiraliteten eller polariteten i en enda skiva. Denna samtidiga observation utfördes med XM-1 röntgenmikroskop vid ALS strållinje 6.1.2. XM-1 ger fullfältsmagnetisk överföring mjuk röntgenmikroskopi med rumslig upplösning ner till 20 nanometer, delvis tack vare den högkvalitativa röntgenoptiken som tillhandahålls av CXRO-forskare.

"Mjuk röntgenmikroskopi med magnetisk överföring erbjuder hög rumslig och tidsmässig upplösning avbildning med elementspecifik magnetisk kontrast, vilket gör det till en idealisk metod för att studera spindynamik i nanoskala, såsom vortexkärndynamik, " säger jag. "XM-1 ger ett stort synfält och därför mycket korta exponeringstider per disk."

Jag är, Fischer och deras kollegor skapade nanodiskar från permalloy, en nickel- och järnlegering vars magnetiska egenskaper har karakteriserats fullt ut. Med hjälp av elektronstrålelitografi mönstrade de stora arrayer av skivor, var och en med en radie på 500 nanometer och en tjocklek på 100 nanometer. Arrayerna deponerades på kiselnitridmembran för att möjliggöra tillräcklig överföring av mjuka röntgenstrålar och exponerades i XM-1 under några sekunder. I deras tidning, författarna drar slutsatsen att det observerade symmetribrottet mest sannolikt beror på en kombination av inneboende och yttre faktorer. Den inneboende faktorn tros vara en antisymmetrisk koppling mellan spinn av två elektroner som kallas Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen. Extrinsiska faktorer inkluderar defekter längs kanterna på nanodiskarna och grova nanodiskytor.

"Vår upptäckt är verkligen ett nytt fysiskt fenomen i magnetiska virvlar, som inte har undersökts hittills, " säger Im. "Den statistiska signifikansen av vårt experimentella arbete och vår rigorösa mikromagnetiska 3D-simulering för genereringsprocessen av virveltillstånd ger viktig ny information för den mindre kända fysiken i magnetiseringsprocessen för nanodiskar."

"Vi har också visat att deterministiskt beteende och funktionalitet på mesoskalan inte alltid kan extrapoleras från ens en fullständig förståelse av beteende i nanoskala, säger Fischer. "Med andra ord, att förstå en enskild LEGO-kloss kanske inte räcker för att bygga en stor och komplex struktur.”

Im är motsvarande författare till Nature Communications-tidningen. Medförfattarna Yamada och Ono är med Kyoto University, medförfattarna Sato och Nakatani är med University of Electro-Communications i Chofu, och medförfattaren Kasai är med Japans och National Institute for Materials Science.