För många moderna tekniska tillämpningar, såsom supraledande ledningar för magnetisk resonansavbildning, ingenjörer vill så mycket som möjligt bli av med elektrisk motstånd och dess åtföljande värmeproduktion.

Det visar sig, dock, att lite värmeproduktion från motstånd är en önskvärd egenskap i metalliska tunna filmer för spintroniska applikationer såsom datorminne i solid state. Liknande, medan defekter ofta är oönskade inom materialvetenskap, de kan användas för att styra skapandet av magnetiska kvasi-partiklar som kallas skyrmions.

I separata artiklar publicerade denna månad i tidskrifterna Naturnanoteknik och Avancerade material , forskare i gruppen MIT professor Geoffrey S.D. Beach och kollegor i Kalifornien, Tyskland, Schweiz, och Korea, visade att de kan generera stabila och snabbt rörliga skyrmions i speciellt formulerade skiktade material vid rumstemperatur, sätta världsrekord för storlek och hastighet. Varje tidning fanns på omslaget till respektive tidning.

För forskningen publicerad i Avancerade material , forskarna skapade en tråd som staplar 15 upprepade lager av en specialtillverkad metalllegering bestående av platina, som är en heavy metal, kobolt-järn-bor, som är ett magnetiskt material, och magnesium-syre. I dessa skiktade material, gränssnittet mellan platinametallskiktet och kobolt-järn-bor skapar en miljö där skyrmions kan bildas genom att applicera ett externt magnetfält vinkelrätt mot filmen och elektriska strömpulser som rör sig längs trådens längd.

I synnerhet, under ett 20 milliTesla -fält, ett mått på magnetfältets styrka, tråden bildar skyrmions vid rumstemperatur. Vid temperaturer över 349 kelvin (168 grader Fahrenheit), skyrmionerna bildas utan ett externt magnetfält, en effekt som orsakas av att materialet värms upp, och skyrmionerna förblir stabila även efter att materialet har kylts tillbaka till rumstemperatur. Tidigare, resultat som detta hade setts endast vid låg temperatur och med stora applicerade magnetfält, Säger stranden.

Förutsägbar struktur

"Efter att ha utvecklat ett antal teoretiska verktyg, vi kan nu inte bara förutsäga den interna skyrmionstrukturen och storleken, men vi kan också göra ett omvänd teknikproblem, vi kan säga, till exempel, vi vill ha en skyrmion av den storleken, och vi kommer att kunna generera flerlagret, eller materialet, parametrar, det skulle leda till storleken på den skyrmionen, "säger Ivan Lemesh, första författare till Advanced Materials -papper och en doktorand i materialvetenskap och teknik vid MIT. Medförfattare inkluderar seniorförfattaren Beach och 17 andra.

En grundläggande egenskap hos elektroner är deras snurrning, som pekar antingen uppåt eller nedåt. En skyrmion är ett cirkulärt kluster av elektroner vars snurr är motsatta orienteringen av omgivande elektroner, och skyrmionerna upprätthålls medurs eller moturs.

"Dock, dessutom, vi har också upptäckt att skyrmions i magnetiska flerlager utvecklar en komplex genom tjocklek beroende tvinnad natur, "Lemesh sa under en presentation om sitt arbete vid Materials Research Society (MRS) höstmöte i Boston den 30 november. Dessa resultat publicerades i en separat teoretisk studie i Fysisk granskning B i september.

Den aktuella forskningen visar att även om denna vridna struktur av skyrmions har en liten inverkan på förmågan att beräkna den genomsnittliga storleken på skyrmion, det påverkar avsevärt deras nuvarande inducerade beteende.

Grundläggande gränser

För uppsatsen Nature Nanotechnology, forskarna studerade ett annat magnetiskt material, lager platina med ett magnetiskt lager av en gadolinium koboltlegering, och tantaloxid. I detta material, forskarna visade att de kunde producera skyrmions så små som 10 nanometer och konstaterade att de kunde röra sig med en snabb hastighet i materialet.

"Vad vi upptäckte i detta dokument är att ferromagneter har grundläggande gränser för storleken på den kvasi-partikel du kan göra och hur snabbt du kan köra dem med hjälp av strömmar, "säger författaren Lucas Caretta, en doktorand i materialvetenskap och teknik.

I en ferromagnet, såsom kobolt-järn-bor, angränsande snurr är parallella med varandra och utvecklar ett starkt riktat magnetiskt moment. För att övervinna de grundläggande gränserna för ferromagneter, forskarna vände sig till gadolinium-kobolt, som är en ferrimagnet, där angränsande snurr växlar upp och ner så att de kan avbryta varandra och resultera i ett totalt nollmagnetiskt moment.

"Man kan konstruera en ferrimagnet så att nettomagnetiseringen är noll, möjliggör ultralåga spinntexturer, eller ställ in det så att vinkelmomentet är noll, möjliggör ultrasnabba centrifugeringar. Dessa egenskaper kan konstrueras av materialkomposition eller temperatur, "Förklarar Caretta.

År 2017, forskare i Beachs grupp och deras medarbetare demonstrerade experimentellt att de kunde skapa dessa kvasi-partiklar efter behag på specifika platser genom att införa en viss typ av defekt i det magnetiska lagret.

"Du kan ändra egenskaperna hos ett material genom att använda olika lokala tekniker som jonbombardering, till exempel, och genom att göra det ändrar du dess magnetiska egenskaper, "Lemesh säger, "och sedan om du injicerar en ström i tråden, skyrmion kommer att födas på den platsen. "

Tillägger Caretta:"Det upptäcktes ursprungligen med naturfel i materialet, sedan blev de konstruerade defekter genom trådens geometri. "

De använde denna metod för att skapa skyrmions i det nya Nature Nanotechnology -papperet.

Forskarna gjorde bilder av skyrmionerna i kobolt-gadoliniumblandningen vid rumstemperatur vid synkrotroncentra i Tyskland, med hjälp av röntgenholografi. Felix Büttner, en postdoc i Beach lab, var en av utvecklarna av denna röntgenholografiteknik. "Det är en av de enda teknikerna som kan möjliggöra sådana högupplösta bilder där du gör skyrmions av den här storleken, Säger Caretta.

Dessa skyrmions är så små som 10 nanometer, vilket är det nuvarande världsrekordet för rumstemperatur skyrmions. Forskarna visade nuvarande driven domänväggrörelse på 1,3 kilometer per sekund, använder en mekanism som också kan användas för att flytta skyrmions, som också sätter nytt världsrekord.

Förutom synkrotronarbetet, all forskning gjordes på MIT. "Vi odlar materialen, gör tillverkningen och karakterisera materialen här på MIT, Säger Caretta.

Magnetisk modellering

Dessa skyrmions är en typ av snurrkonfiguration av elektronspinn i dessa material, medan domänväggar är en annan. Domänväggar är gränsen mellan domäner med motsatt rotationsorientering. Inom spintronics, dessa konfigurationer är kända som solitons, eller snurra texturer. Eftersom skyrmions är en grundläggande egenskap hos material, matematisk karakterisering av deras bildnings- och rörelseenergi involverar en komplex uppsättning ekvationer som innehåller deras cirkulära storlek, snurra vinkelmoment, orbital vinkelmoment, elektronisk laddning, magnetisk styrka, skikttjocklek, och flera speciella fysiktermer som fångar energin i interaktioner mellan angränsande snurr och angränsande lager, såsom utbytesinteraktionen.

En av dessa interaktioner, som kallas Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI), är av särskild betydelse för att bilda skyrmions och härrör från samspelet mellan elektroner i platinaskiktet och det magnetiska skiktet. I interaktionen Dzyaloshinskii-Moriya, snurrar riktas in vinkelrätt mot varandra, som stabiliserar skyrmion, Säger Lemesh. DMI -interaktionen gör att dessa skyrmions kan vara topologiska, som ger upphov till fascinerande fysikfenomen, gör dem stabila, och låter dem flyttas med en ström.

"Platinum i sig är det som ger vad som kallas en spinnström som är det som driver spinntexturerna i rörelse, "Caretta säger." Spinnströmmen ger ett vridmoment vid magnetiseringen av ferro- eller ferrimagneten intill den, och detta vridmoment är det som i slutändan orsakar rörelsen av spinnstrukturen. Vi använder i princip enkla material för att förverkliga komplicerade fenomen vid gränssnitt. "

I båda tidningarna, forskarna utförde en blandning av mikromagnetiska och atomistiska spinnberäkningar för att bestämma energin som krävs för att bilda skyrmions och för att flytta dem.

"Det visar sig att genom att ändra fraktionen av ett magnetskikt, du kan ändra de genomsnittliga magnetiska egenskaperna för hela systemet, så nu behöver vi inte gå till ett annat material för att generera andra egenskaper, "Säger Lemesh." Du kan bara späda ut det magnetiska lagret med ett distansskikt av olika tjocklek, och du kommer att sluta med olika magnetiska egenskaper, och det ger dig ett oändligt antal möjligheter att tillverka ditt system. "

Exakt kontroll

"Exakt kontroll av att skapa magnetiska skyrmions är ett centralt ämne för fältet, "säger Jiadong Zang, en biträdande professor i fysik vid University of New Hampshire, som inte var inblandad i denna forskning, angående Avancerade material papper. "Detta arbete har presenterat ett nytt sätt att generera nollfältskyrmioner via aktuell puls. Detta är definitivt ett gediget steg mot skyrmionsmanipulationer i nanosekundregimen."

Kommenterar om Naturnanoteknik Rapportera, Christopher Marrows, säger en professor i fysik i kondenserad materia vid University of Leeds i Storbritannien:"Det faktum att skyrmionerna är så små men kan stabiliseras vid rumstemperatur gör det mycket viktigt."

Marrows, som inte heller var inblandad i denna forskning, noterade att Beach -gruppen hade förutspått skyrmions i rumstemperatur i en Vetenskapliga rapporter papper tidigare i år och sa att de nya resultaten är arbete av högsta kvalitet. "Men de gjorde förutsägelsen och det verkliga livet lever inte alltid upp till teoretiska förväntningar, så de förtjänar all heder för detta genombrott, Säger Marrows.

Zang, kommenterar Naturnanoteknik papper, tillägger:"En flaskhals av skyrmionstudier är att nå en storlek som är mindre än 20 nanometer [storleken på en toppmodern minnesenhet], och kör dess rörelse med hastighet över en kilometer per sekund. Båda utmaningarna har hanterats i detta viktiga arbete.

"En viktig innovation är att använda ferrimagnet, istället för vanligt använt ferromagnet, att vara värd för skyrmions, "Zang säger." Detta arbete stimulerar starkt utformningen av skyrmionbaserat minne och logiska enheter. Detta är definitivt ett stjärnpapper inom skyrmionfältet. "

Racebanksystem

Solid-state-enheter byggda på dessa skyrmions kan en dag ersätta nuvarande magnetiska lagringshårddiskar. Strömmar av magnetiska skyrmions kan fungera som bitar för datorprogram. "I dessa material, vi kan enkelt mönstra magnetiska spår, "Beach sa under en presentation på MRS.

Dessa nya fynd kan tillämpas på racerbaneminne, som utvecklades av Stuart Parkin på IBM. En nyckel för att konstruera dessa material för användning i racerbaneanordningar är att konstruera avsiktliga defekter i materialet där skyrmions kan bildas, eftersom skyrmions bildas där det finns defekter i materialet.

"Man kan konstruera genom att sätta hack i den här typen av system, "sa stranden, som också är meddirektör för Materials Research Laboratory (MRL) vid MIT. En strömpuls som injiceras i materialet bildar skyrmionerna i ett snäpp. "Samma strömpuls kan användas för att skriva och radera, "sa han. Dessa skyrmions bildas extremt snabbt, på mindre än en miljarddel av en sekund, Säger stranden.

Caretta säger:"För att kunna ha en praktisk driftlogik eller minnesloppsbana, du måste skriva lite, så det är vad vi pratar om när vi skapar den magnetiska kvasipartikeln, och du måste se till att den skrivna biten är mycket liten och du måste översätta den biten genom materialet i en mycket snabb takt, Säger Caretta.

Marrows, Leeds -professorn, tillägger:"Applikationer inom skyrmionbaserade spintronics, kommer att gynnas, även om det är lite tidigt att säkert säga vad som kommer att bli vinnarna bland de olika förslagen, som inkluderar minnen, logiska enheter, oscillatorer och neuromorfa enheter, "

En kvarvarande utmaning är det bästa sättet att läsa dessa skyrmion -bitar. Arbetet i Beach -gruppen fortsätter inom detta område, Lemesh säger, noterar att den nuvarande utmaningen är att upptäcka ett sätt att upptäcka dessa skyrmions elektriskt för att kunna använda dem i datorer eller telefoner.

"Ja, så du behöver inte ta telefonen till en synkrotron för att läsa lite, "Caretta säger." Som ett resultat av en del av arbetet med ferrimagneter och liknande system som kallas anti-ferromagneter, Jag tror att majoriteten av fältet faktiskt kommer att börja skifta mot dessa typer av material på grund av det enorma löfte som de håller. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.