En praktisk metod för att kartlägga flödet av en ström i enheter med komplexa geometrier som kan användas för att optimera kretsdesign har utvecklats på KAUST.

Ett traditionellt gymnasieexperiment är att placera järnspån på ett papper ovanför en permanent magnet. De små metallpartiklarna kommer att ordna sig i en rad linjer som förbinder de två ändarna, eller stolpar, av magneten. Detta gör det möjligt för eleverna att visualisera de annars osynliga fältlinjerna som förmedlar magnetisk attraktion och avstötning.

Att uppnå samma typ av karta för flödet av en elektrisk ström är särskilt viktigt i små elektroniska komponenter. Dessa komponenter kan ha udda geometriska arrangemang, ett resultat av behovet av att varje element i anordningen packas i ett så litet utrymme som möjligt. Det betyder att strömmen inte nödvändigtvis flyter på ett homogent sätt.

Senfu Zhang och Xixiang Zhang, arbeta med kollegor från KAUST, Kina och USA, har nu utarbetat en metod för att visualisera storleken och riktningen av strömflödet genom en magnetisk tunn film.

Flera experimentella metoder har tidigare utvecklats för att kartlägga strömtätheten i elektroniska material. Men dessa gör det bara indirekt, mäta lösa fält snarare än själva strömmarna. Vidare, de kan vara väldigt dyra, eller arbeta endast vid mycket låga temperaturer. Datorsimuleringar erbjuder ett billigare alternativ; dock, de tenderar att överförenkla verkliga enheter, ignorerar avvikelser eller sprickor i materialet.

Istället, Zhangs team kartlade direkt den ojämna elektriska strömfördelningen i skiktad platina, kobolt och tantal med hjälp av så kallade skyrmions. Dessa "magnetiska bubblor" kan avbildas med en teknik som kallas magneto-optisk Kerr-mikroskopi, som mäter förändringar i intensitet och polarisering av ljus som reflekteras från en yta till följd av magnetiska störningar.

Skyrmionerna visas som runda bubblor i mikroskopbilderna. "Vi fann att när vi passerade en ström genom materialet, bara framsidan av bubblorna rörde sig framåt, bildar smala, parallella banddomäner, "förklarar Senfu Zhang. Forskarna visade att det var enkelt att extrahera det nuvarande flödet från tillväxtriktningen för dessa mönster.

"Detta tillvägagångssätt är inte lämpligt för användning i en faktisk enhet eftersom det kräver avsättning av Pt/Co/Ta på enheten, men det är användbart i designfasen, "säger Zhang." Att veta riktningen och storleken på den elektriska strömmen i varje del av enheten hjälper till att förbättra design och prestanda. "