Den översta raden visar elektronfas, den andra raden visar magnetisk induktion, och den nedre raden visar scheman för den simulerade fasen hos olika magnetiska domänegenskaper i material med flera lager. Den första kolonnen är för ett symmetriskt tunnfilmsmaterial och den andra kolumnen är för en asymmetrisk tunn film som innehåller gadolinium och kobolt. Skalstaplarna är 200 nanometer (miljarddels meter). De streckade linjerna indikerar domänväggar och pilarna indikerar chiralitet eller 'handness'. De underliggande bilderna i de två översta raderna producerades med hjälp av en teknik vid Berkeley Labs Molecular Foundry, känd som Lorentz -mikroskopi. Klicka på bilden för att se den i större storlek. Upphovsman:Lawrence Berkeley National Laboratory
Ett team av forskare som arbetar vid Department of Energy Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har bekräftat en särskild egenskap som kallas "kiralitet-som potentiellt kan utnyttjas för att överföra och lagra data på ett nytt sätt-i nanometertjocka prover av flerskiktsprover material som har en störd struktur.
Medan de flesta elektroniska enheter är beroende av flödet av elektroners laddning, det vetenskapliga samfundet letar febrilt efter nya sätt att revolutionera elektroniken genom att designa material och metoder för att kontrollera andra inneboende elektronegenskaper, såsom deras banor runt atomer och deras snurr, som kan ses som en kompassnål anpassad till ansiktet i olika riktningar.
Dessa egenskaper, forskare hoppas, kan aktivera snabbare, mindre, och mer tillförlitlig datalagring genom att underlätta spintronics - en av dessa är användningen av spinnström för att manipulera domäner och domänväggar. Spintronics-drivna enheter kan generera mindre värme och kräver mindre ström än konventionella enheter.
I den senaste studien, detaljerad i den 23 maj onlineutgåvan av tidningen Avancerade material , forskare som arbetar på Berkeley Labs Molecular Foundry och Advanced Light Source (ALS) bekräftade en kiralitet, eller skicklighet, i övergångsregionerna - kallade domänväggar - mellan angränsande magnetiska domäner som har motsatta snurr.
Forskare hoppas kunna kontrollera kiralitet-analogt med högerhänta eller vänsterhänta-för att styra magnetiska domäner och överföra nollor och sådana som i konventionellt datorminne.
Proverna var sammansatta av en amorf legering av gadolinium och kobolt, inklämt mellan ultratunna lager av platina och iridium, som är kända för att starkt påverka angränsande snurr.
Moderna datakretsar använder vanligtvis kiselskivor baserade på en kristallin form av kisel, som har en regelbundet beställd struktur. I denna senaste studie, materialproven som användes i experimenten var amorfa, eller icke -kristallint, vilket betyder att deras atomstruktur var störd.
Experiment avslöjade en dominerande kiralitet i de magnetiska egenskaperna hos dessa domänväggar som möjligen kunde vändas till dess motsats. En sådan vändningsmekanism är en kritisk möjliggörande teknik för spintronik och olika forskningsområden som är baserade på elektronens spinnegenskap.
Vetenskapsteamet arbetade med att identifiera rätt tjocklek, koncentration, och skiktning av element, och andra faktorer för att optimera denna kirala effekt.
"Nu har vi bevis på att vi kan ha kiral magnetism i amorfa tunna filmer, som ingen tidigare visat, "sade Robert Streubel, studiens huvudförfattare och en postdoktoral forskare i Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning. Experimentens framgång, han sa, öppnar möjligheten att kontrollera vissa egenskaper hos domänväggar, som kiralitet, med temperatur, och att byta materialets kirala egenskaper med ljus.
I dessa rader med sekvenserade bilder, tillverkad med röntgenbaserade tekniker, den första kolumnen visar det avmagnetiserade tillståndet för ett flerskiktsmaterial innehållande gadolinium och kobolt; den andra kolumnen visar kvarvarande magnetism i samma prover efter en extern, positivt magnetfält applicerades och avlägsnades sedan; och den sista kolumnen visar proverna när ett negativt magnetfält appliceras. De vita pilarna i den tredje bildraden indikerar gadoliniumrika områden i materialet. Klicka på bilden för att se den i större storlek. Upphovsman:Lawrence Berkeley National Laboratory
Amorfa material, trots sin störda struktur, kan också tillverkas för att övervinna några av begränsningarna för kristallina material för spintronikapplikationer, Streubel noterade. "Vi ville undersöka dessa mer komplexa material som är lättare att göra, speciellt för industriella tillämpningar. "
Forskargruppen tog en unik, elektronmikroskopiteknik med hög upplösning vid Berkeley Labs Molecular Foundry, och utförde experimenten i ett så kallat Lorentz-observationsläge för att avbilda de magnetiska egenskaperna hos materialproverna. De kombinerade dessa resultat med resultaten från en röntgenteknik vid ALS som kallas magnetisk cirkulär dikroismspektroskopi för att bekräfta den nanoskala magnetiska kiraliteten i proverna.
Lorentz-mikroskopitekniken som användes vid Molecular Foundry's National Center for Electron Microscopy gav den tiotals-nanometer upplösning som krävs för att lösa de magnetiska domänegenskaperna som kallas spinntexturer.
"Denna höga rumsliga upplösning på detta instrument gjorde att vi kunde se kiraliteten i domänväggarna - och vi tittade igenom hela stacken av material, "sa Peter Fischer, en medledare för studien och en senior personalvetare i laboratoriets materialvetenskapsavdelning.
Fischer noterade att den allt mer exakta, experimentella tekniker med hög upplösning-som använder elektronstrålar och röntgenstrålar, till exempel-låt nu forskare utforska komplexa material som saknar en väldefinierad struktur.
"Vi letar nu med nya typer av prober, " han sa, som borrar ner till allt mindre skalor. "Nya egenskaper och upptäckter kan ganska ofta inträffa vid materialgränssnitt, det är därför vi frågar:Vad händer när du lägger ett lager bredvid ett annat? Och hur påverkar det spinnstrukturerna, vilka är ett materials magnetiska landskap av spinnorienteringar? "
Det ultimata forskningsverktyget, Fischer sa, som är i horisonten med nästa generations elektron- och röntgenprober, skulle ge forskare förmågan att se direkt, vid atomupplösning, den magnetiska omkopplingen sker i ett materials gränssnitt vid femtosekunder (kvadriljondelar av en sekund) tidsskalor.
"Vårt nästa steg är därför att gå in på dynamiken i kiraliteten hos dessa domänväggar i ett amorft system:att avbilda dessa domänväggar medan de rör sig, och för att se hur atomer är sammansatta, " han sa.
Streubel tillade, "Det var verkligen en djupgående studie i nästan alla aspekter som behövdes. Varje bit i sig utgjorde utmaningar." Lorentz -mikroskopi -resultaten matades in i en matematisk algoritm, skräddarsydda av Streubel, för att identifiera domänväggtyper och kiralitet. En annan utmaning var att optimera provtillväxten för att uppnå de kirala effekterna med hjälp av en konventionell teknik som kallas sputtering.
Algoritmen, och de experimentella teknikerna, kan nu appliceras på en hel uppsättning provmaterial i framtida studier, och "bör generaliseras till olika material för olika ändamål, " han sa.
Forskargruppen hoppas också att deras arbete kan hjälpa till att driva FoU relaterat till spinnorbitronik, där "topologiskt skyddade" (stabila och fjädrande) spinntexturer som kallas skyrmions potentiellt kan ersätta utbredningen av små domänväggar i ett material och leda till mindre och snabbare beräkningsenheter med lägre strömförbrukning än konventionella enheter.
