Ett team av forskare under ledning av docent Yang Hyunsoo från Institutionen för el- och datateknik vid National University of Singapore (NUS) Ingenjörsfakulteten har uppfunnit en ny ultratunn flerskiktsfilm som kan utnyttja egenskaperna hos små magnetiska virvlar, känd som skyrmions, som informationsbärare för lagring och behandling av data på magnetiska medier.

Den tunna filmen i nanostorlek, som utvecklades i samarbete med forskare från Brookhaven National Laboratory, Stony Brook University, och Louisiana State University, är ett kritiskt steg mot utformningen av datalagringsenheter som använder mindre ström och arbetar snabbare än befintlig minnsteknik. Uppfinningen rapporterades i prestigefylld vetenskaplig tidskrift Naturkommunikation den 10 mars 2017.

Små magnetiska virvlar med stor potential som informationsbärare

Den digitala omvandlingen har resulterat i ständigt ökande krav på bättre bearbetning och lagring av stora mängder data, samt förbättringar av hårddisktekniken. Sedan de upptäcktes i magnetiska material 2009, skyrmions, som är små virvlande magnetiska texturer som bara är några nanometer stora, har studerats omfattande som möjliga informationsbärare i nästa generations datalagring och logiska enheter.

Skyrmions har visat sig existera i skiktade system, med en tungmetall placerad under ett ferromagnetiskt material. På grund av samspelet mellan de olika materialen, en gränssnittssymmetri som bryter interaktion, känd som Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), är formad, och detta hjälper till att stabilisera en skyrmion. Dock, utan ett magnetfält utanför planet, skyrmions stabilitet äventyras. Dessutom, på grund av sin lilla storlek, det är svårt att avbilda material i nanostorlek.

För att hantera dessa begränsningar, forskarna arbetade för att skapa stabila magnetiska skyrmions vid rumstemperatur utan behov av ett förspännande magnetfält.

Unikt material för datalagring

NUS -teamet, som också består av Dr Shawn Pollard och Yu Jiawei från NUS Department of Electrical and Computer Engineering, fann att ett stort DMI kunde bibehållas i flerskiktsfilmer bestående av kobolt och palladium, och detta är tillräckligt stort för att stabilisera skyrmions spinntexturer.

För att avbilda den magnetiska strukturen hos dessa filmer, NUS -forskarna, i samarbete med Brookhaven National Laboratory i USA, använde Lorentz transmissionselektronmikroskopi (L-TEM). L-TEM har förmågan att avbilda magnetiska strukturer under 10 nanometer, men det har inte använts för att observera skyrmions i flerskiktsgeometrier tidigare eftersom det förutspåddes att uppvisa nollsignal. Dock, när man utför experimenten, fann forskarna att genom att luta filmerna med avseende på elektronstrålen, de fann att de kunde få en klar kontrast som överensstämde med den som förväntades för skyrmions, med storlekar under 100 nanometer.

Dr Pollard förklarade, "Det har länge antagits att det inte finns något DMI i en symmetrisk struktur som den som finns i vårt arbete, därav, det blir ingen skyrmion. Det är verkligen oväntat för oss att hitta både stora DMI och skyrmions i flerskiktsfilmen vi konstruerade. Vad mer, dessa nanoskala skyrmions kvarstod även efter avlägsnandet av ett externt förspännande magnetfält, som är de första i sitt slag. "

Assoc Prof Yang tillade, "Detta experiment visar inte bara användbarheten av L-TEM för att studera dessa system, men öppnar också upp ett helt nytt material där skyrmions kan skapas. Utan behov av ett förspänningsfält, designen och implementeringen av skyrmionbaserade enheter förenklas avsevärt. Skyrmionernas lilla storlek, kombinerat med den otroliga stabilitet som skapas här, kan vara potentiellt användbart för design av nästa generations spintronic-enheter som är energieffektiva och kan överträffa nuvarande minnesteknik. "