Ett team ledd av Rutgers University och inklusive forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har demonstrerat en röntgenteknik som kan möjliggöra utvecklingen av mindre, snabbare, och mer robust elektronik.

Beskrivs i en tidning publicerad den 27 november in Naturkommunikation , tekniken adresserar en primär begränsning i det framväxande forskningsfältet "spintronics, " eller spinnelektronik, använda magnetiska material som kallas antiferromagneter (AFMs):förmågan att avbilda antifasmagnetiska domäner.

Elektroner i magnetiska atomer pekar, eller "snurra, " i riktning uppåt eller nedåt. I alla magnetiska material, det finns distinkta områden – magnetiska domäner – där elektronsnurrarna är ordnade på ett regelbundet sätt. Flera konfigurationer är möjliga beroende på typen av magnetism. I AFM, spinnen på intilliggande atomer pekar i motsatta riktningar (t.ex. upp-ned-upp-ner). Medan snurren inom varje domän är enhetligt ordnade, de inom angränsande domäner är anpassade på ett annat sätt. Till exempel, i AFM, snurren i en domän kan alla vara ordnade i ett upp-och-ner-mönster, medan ned-upp i en angränsande domän. Att avbilda dessa "motfas"-domäner och övergångarna (väggarna) som finns mellan dem är det första steget för att kunna manipulera det magnetiska tillståndet hos AFM för att utveckla spintroniska enheter.

"I sista hand, målet är att kontrollera antalet, form, storlek, och domänernas position, " sa medförfattaren Claudio Mazzoli, ledande forskare vid Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) strållinjen vid Brookhaven Labs National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) – en DOE Office of Science User Facility – där tekniken demonstrerades. "I allmänhet, de elektroniska egenskaperna hos domänväggar kan skilja sig från dem i huvuddelen av materialet, och vi kan dra fördel av detta faktum. Att hitta ett sätt att kontrollera domänerna och deras väggar genom externa störningar är nyckeln till tekniska enheter som effektivt kan lagra och bearbeta information."

Från laddning till snurr

Konventionell elektronik som datorchips är beroende av transport av elektriska laddningsbärare, eller elektroner, att driva. När dessa laddningar rör sig, de sprider energi i form av värme, begränsa enhetens effektivitet.

Spintronik utnyttjar en annan inneboende egenskap hos elektroner:spinn. Eftersom elektronsnurr kan vändas från en magnetisk polaritet till en annan mycket snabbare än laddning kan flyttas runt, enheter baserade på spintronik kan vara i sig snabbare än dagens elektronik.

Hittills, de flesta spintroniska enheter har varit baserade på ferromagneter (FM) - den typ av magneter vi är mest bekanta med, som ses på kylskåp och i datorhårddiskar. Som svar på ett externt magnetfält, domänerna i FM:er anpassas parallellt efter fältets riktning.

Dock, AFM erbjuder flera fördelar jämfört med FM. Till exempel, eftersom snurren i AFM:er tar slut, dessa material har ingen storskalig magnetism. Således, deras snurrriktning kan vändas ännu snabbare, och de genererar inte strömagnetiska fält som kan störa andra magnetiseringskällor. Dessutom, de är mycket mer motståndskraftiga mot yttre magnetfält.

"Antiferromagneter är i sig bättre skyddade mot att förlora information genom interaktion med miljön, inklusive mellan domäner, " förklarade senior författare och Rutgers fysikprofessor Valery Kiryukhin. "Därför, enheter baserade på AFM-material kan göras mindre, med information packad tätare tillsammans för att ge högre lagringskapacitet."

Men samma egenskaper som gör AFM tilltalande för spintronics gör också dessa material svåra att kontrollera.

"För att kontrollera dem, vi måste först svara på mycket grundläggande frågor, såsom hur domänerna är ordnade i rymden och hur de och deras väggar rör sig som svar på yttre störningar som temperaturförändringar, elektriska fält, och ljuspulser, " sa Mazzoli.

Antiferromagnetiska reflektioner

I den här studien, forskarna riktade en koherent stråle av röntgenstrålar från CSX-strållinjen genom ett cirkulärt nålhål för att belysa den magnetiska ordningen för ett järnbaserat AFM-prov syntetiserat av medlemmar av Rutgers' Department of Physics and Astronomy, inklusive Kiryukhin och första författare och postdoktor Min Gyu Kim. De ställer in strållinjens röntgenstrålar till en energi som resonerar med (nära) energin från spinnen i materialet. En detektor fångade ljusets intensitet när det reflekterades från provet.

"Du kan se reporna på din mobiltelefons skärm när ljus reflekteras från den ytan, ", sa Mazzoli. "Vi tillämpade samma typ av princip här men förlitade oss på magnetiska reflektioner istället för ytreflektioner. De magnetiska reflektionerna uppträder bara inom en mycket snäv gräns för spridningsvinklar och förhållanden."

"Eftersom den inkommande strålen är koherent - alla fotoner, eller lätta partiklar, vinka tillsammans på ett organiserat sätt – vi kunde direkt se hur två domäner är olika och hur de interfererar med varandra, " sa medförfattaren Mark Dean, en fysiker vid Brookhaven Labs avdelning för kondenserad materiafysik och materialvetenskap (CMPMS). "Störningen, som avslöjas i detektormönstren där det finns en minskning av signalintensiteten, berättade var domängränserna går."

Även om denna magnetiska diffraktionsteknik är välkänd, denna studie representerar första gången den framgångsrikt har tillämpats på antifasdomänavbildning i AFM.

"Denna helt nya förmåga att avbilda antiferromagnetiska domängränser är endast möjlig på grund av strållinjens enastående koherens, sa Ian Robinson, Röntgenspridningsgruppledare och senior fysiker på CMPMS-avdelningen. "Spridningsbidragen från två antifasdomäner är exakt samma i storlek. De skiljer sig bara i sin fas, som fångas upp med koherenta röntgenstrålar genom interferens på detektorn."

På bråkdelar av en sekund, en fullständig bild av utvidgade områden (hundratals mikron gånger hundratals mikron) av provet genereras, utan att behöva flytta någon instrumentering. I andra magnetiska bildtekniker, en sond måste skannas över ytan på flera punkter, eller beräkningar krävs för att projicera de resulterande detektormönstren på bilder i verkliga rymd som våra ögon kan förstå.

"Vi tar i huvudsak en bild, " sa Mazzoli. "Utläsningen av alla pixlar i detektorn bildar en helfältsbild i en enda bild. Bilder som täcker ännu större millimeterstora områden kan erhållas genom att sy ihop flera bilder."

Teknikens hastighet gör den idealisk för dynamiska experiment. Här, forskarna studerade hur de magnetiska domänerna förändrades i realtid när de värmde provet för att "smälta" (ta bort) dess antiferromagnetiska ordning och kylde det för att återställa ordningen i form av domänarrangemanget. De upptäckte att några av domänerna var fria att röra sig med varje termisk cykel, medan andra inte var det.

Går framåt, teamet planerar att testa tekniken med andra AFM:er och olika materialklasser. Teamet planerar också att förbättra teknikens nuvarande upplösning till under 100 nanometer genom att omkonfigurera experimentuppställningen. Denna förbättrade upplösning skulle göra det möjligt för dem att bestämma domänens väggtjocklek.

"För att designa en spintronic-enhet, du behöver känna till materialens magnetiska konfiguration, ", sa Dean. "Vår förhoppning är att vi så småningom kommer att kunna använda den här tekniken för att se hur magnetism fungerar i förhållanden nära enheten."