Forskare hittar överraskande sätt att påverka informationslagringsegenskaper i metalllegering.

Ibland kan vetenskapliga upptäckter hittas längs väl betrampade vägar. Det bevisade fallet för ett kobolt-järnlegeringsmaterial som vanligen finns på hårddiskar.

Som rapporterats i ett nyligen utgåva av Fysiska granskningsbrev , forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory, tillsammans med Oakland University i Michigan och Fudan University i Kina, har hittat en överraskande kvanteffekt i denna legering.

Effekten involverar förmågan att kontrollera riktningen för elektronspin, och det kan göra det möjligt för forskare att utveckla mer kraftfulla och energieffektiva material för informationslagring. Genom att ändra elektronspinnriktningen i ett material, forskarna kunde ändra dess magnetiska tillstånd. Denna större kontroll av magnetisering gör att mer information kan lagras och hämtas i ett mindre utrymme. Större kontroll kan också ge ytterligare applikationer, till exempel mer energieffektiva elmotorer, generatorer och magnetiska lager.

Effekten som forskarna upptäckte har att göra med "dämpning, "i vilken elektronspinnets riktning styr hur materialet släpper ut energi." När du kör din bil ner på en platt motorväg utan vind, den försvinnande energin från drag är densamma oavsett i vilken riktning du färdas, "sade Argonne materialvetare Olle Heinonen, en författare till studien. "Med den effekten vi upptäckte, det är som om din bil upplever mer drag om du reser norr-söder än om du reser öst-väst. "

"Tekniskt sett, vi upptäckte en betydande effekt av magnetisk dämpning i nanoskala av kobolt-järnlegering belagd på ena sidan av ett magnesiumoxidsubstrat, "tillade Argonne materialvetare Axel Hoffmann, en annan författare till studien. "Genom att styra elektronspinnet, magnetisk dämpning dikterar hastigheten för energispridning, kontrollerande aspekter av magnetiseringen."

Lagets upptäckt visade sig särskilt överraskande eftersom kobolt-järnlegeringen hade använts i stor utsträckning i applikationer som magnetiska hårddiskar i många decennier, och dess egenskaper har undersökts grundligt. Det var konventionell visdom att detta material inte hade en föredragen riktning för elektronspinn och därmed magnetisering.

Förr, dock, forskare förberedde legeringen för användning genom att "baka" den vid hög temperatur, som beordrar arrangemanget av kobolt och järnatomer i ett vanligt gitter, eliminera riktningseffekten. Teamet observerade effekten genom att undersöka obakade kobolt-järnlegeringar, där kobolt- och järnatomer slumpmässigt kan ockupera varandras platser.

Teamet kunde också förklara den bakomliggande fysiken. I en kristallstruktur, atomer sitter normalt med helt regelbundna intervall i ett symmetriskt arrangemang. I kristallstrukturen hos vissa legeringar, det finns små skillnader i separationen mellan atomer som kan avlägsnas genom bakningsprocessen; dessa skillnader finns kvar i ett "obakat" material.

Klämning av ett sådant material på atomnivå ändrar ytterligare separationen av atomerna, vilket resulterar i olika interaktioner mellan atomära spinn i den kristallina miljön. Denna skillnad förklarar hur dämpningseffekten på magnetisering är stor i vissa riktningar, och små i andra.

Resultatet är att mycket små snedvridningar i atomarrangemanget inom den kristallina strukturen hos kobolt-järnlegering har jättekonsekvenser för dämpningseffekten. Teamet körde beräkningar vid Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility, som bekräftade deras experimentella observationer.

Forskarnas arbete visas i nätupplagan den 21 mars av Fysiska granskningsbrev och har rätt, "Jätte anisotropi av Gilbert-dämpning i epitaxiella CoFe-filmer."