I ett banbrytande försök att kontrollera, mäta och förstå magnetism på atomnivå, forskare som arbetar vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har upptäckt en ny metod för att manipulera nanoskaliga egenskaper hos magnetiska material.

Förmågan att kontrollera dessa egenskaper har potentiella tillämpningar för att skapa och förbättra det magnetiska minnet i konsumentelektronikenheter, och utveckla en känslig detektor för magnetiska nanopartiklar.

Upptäckten fokuserar på en kvantmekanisk egenskap känd som spin, som ger elektroner ett litet magnetfält. Elektronspin kan peka i någon av två riktningar, "upp eller ner, " liksom det medföljande magnetfältet. Under årens lopp, forskare har blivit skickliga på att vända spinns riktning, och därför, magnetfältets riktning. Men det nya fyndet har en ny twist.

I vissa material, som kobolt, snurrarna hos närliggande elektroner samverkar, vilket gör att alla pekar åt samma håll. Om några av snurren tvingas bort från det hållet, de drar några av de närliggande snurren med sig. Detta gör att snurren genomgår en gradvis vridning — medurs eller moturs. I vissa material, snurren föredrar att vrida sig i endast en riktning.

Ett team ledd av NIST-forskaren Samuel Stavis och Andrew Balk, nu på Los Alamos National Laboratory, hittat ett sätt att styra riktningen för denna vridning i en film av kobolt bara tre atomlager tjocka. Dessutom, de kan ställa in den här riktningen så att den är olika på olika platser på samma koboltfilm, och gör det oberoende av andra magnetiska egenskaper hos metallen.

Teamet uppnådde denna nya förmåga genom att kontrollera en effekt som kallas Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), vilket ger en föredragen vridriktning på snurr. DMI uppträder vanligtvis vid gränsen mellan en tunn film av en magnetisk metall och ett icke-magnetiskt metallskikt. Elektronen snurrar i den magnetiska filmen interagerar med atomer i den omagnetiska filmen, skapa en prioriterad twist.

Att styra DMI kan öka det magnetiska minnet, som använder rotationsriktningen för att lagra information. En minnesenhet behöver två distinkta tillstånd, representerar antingen en etta eller en nolla – i fallet med en magnetisk hårddisk, elektroner med spinn som pekar uppåt eller nedåt. För att skriva data, designers behöver ett förutsägbart sätt att växla från en snurrriktning till en annan. Att kontrollera vridningens riktning och mängd kan tillåta att spinnvändningen sker mer effektivt och tillförlitligt än om vridningen var slumpmässig, Balk anteckningar.

Styrning av DMI spelar också en nyckelroll i en annan typ av magnetiskt minne. Om DMI är tillräckligt stark, det kommer att vrida angränsande snurrar till ett cirkulärt virvelmönster, och potentiellt kan skapa exotiska magnetiska knutar som kallas skyrmioner. Dessa partikelliknande knutar kan lagra information, och deras existens eller frånvaro i en magnetisk tunn film skulle kunna fungera ungefär som de och nollorna i elektroniska logiska kretsar. Genom att reglera DMI, forskare kan skapa skyrmioner, som skulle kräva mindre ström för att fungera än andra typer av magnetiskt minne, och bör kunna styra deras rörelse genom ett magnetiskt material.

Forskarna beskriver sitt arbete i Physical Review Letters.

I deras experiment, forskarna placerade en tunn film av kobolt mellan två lager platina, en omagnetisk metall. De bombarderade sedan treskiktet med argonjoner, som sprängde bort den översta platinafilmen och ruggade upp den övre gränsen mellan platina och kobolt, beroende på jonenergin. Forskarna upptäckte att när de använde argonjoner med högre energi, DMI var negativt, vrida koboltens spinn moturs, och när de använde argonjoner med lägre energi, DMI var positivt, och skulle vrida snurren medurs. När de utsätts för argonjoner med mellanenergi, DMI var noll, vilket gör det lika troligt att snurr vrider sig medurs eller moturs.

Forskarna gjorde sin upptäckt medan de trimmade de magnetiska egenskaperna hos en koboltfilm för att utveckla en sensor för magnetiska nanopartiklar. Genom att göra så, teamet insåg att det hade hittat ett nytt sätt att manipulera DMI.

Eftersom argonjoner med olika energier kan riktas mot specifika regioner inom kobolt, forskarna kunde tillverka koboltfilmer vars DMI varierade över materialets yta.

"Sex decennier efter att Dzyaloshinskii och Moriya upptäckte denna interaktion, vår nya process för att kontrollera det rumsligt, oberoende av andra magnetiska egenskaper, kommer att möjliggöra nya vetenskapliga studier av DMI och möjliggöra tillverkning av nya nanomagnetiska enheter, sa Balk.

Till sist, forskarna fann att kontroll av DMI verkligen gjorde filmen mer känslig för magnetiska fält från nanopartiklar. Vid ett senare datum, teamet planerar att publicera arbetet med att använda filmen som en nanopartikelsensor för användare av NIST Center for Nanoscale Science and Technology, där arbetet utfördes.