En ny form av magnetisk interaktion som driver ett tidigare tvådimensionellt fenomen in i den tredje dimensionen kan öppna upp en mängd spännande nya möjligheter för datalagring och avancerad datoranvändning, säger forskare.

I en ny artikel som publicerades i dag i tidskriften Naturmaterial , ett team under ledning av fysiker från University of Glasgow beskriver hur de har hittat ett nytt sätt att framgångsrikt överföra information från en serie små magneter arrangerade på en ultratunn film till magneter på en andra film nedan.

Deras genombrott tillför både en bokstavlig och metaforisk extra dimension till "spintronics", vetenskapsområdet dedikerat till datalagring, hämtning och bearbetning, som redan har haft stor inverkan på teknikbranschen.

Alla som någonsin har lekt med ett par magneter förstår att motsatser attraherar—den ena magnetens sydpol attraherar den andras nordpol. Även om det är sant i den skala de flesta känner till, hur magneter interagerar med varandra genomgår några betydande förändringar när magneter krymper.

På nanoskala - där magnetiska material kan vara bara några miljarddels meter stora - interagerar magneter med varandra på konstiga nya sätt, inklusive möjligheten att attrahera och stöta bort varandra i 90-graders vinklar istället för rakt på.

Forskare har redan lärt sig hur man utnyttjar dessa ovanliga egenskaper för att koda och bearbeta information i tunna filmer täckta av ett enda lager av nanoskala magneter.

Fördelarna med dessa "spintroniska" system – låg strömförbrukning, hög lagringskapacitet och större robusthet – har gjort ovärderliga tillägg till teknik som magnetiska hårddiskar, och vann upptäckarna av spintronik ett Nobelpris 2007.

Dock, funktionaliteten hos magnetiska system som används idag i datorer förblir begränsad till ett plan, begränsa deras kapacitet. Nu, det team som leds av University of Glasgow — tillsammans med partners från universiteten i Cambridge och Hamburg, Technical University of Eindhoven och Aalto University School of Science – har utvecklat ett nytt sätt att kommunicera information från ett lager till ett annat, lägga till ny potential för lagring och beräkning.

Dr Amalio Fernandez-Pacheco, en EPSRC Early Career Fellow vid universitetets School of Physics and Astronomy, är huvudförfattare på tidningen. Han sa:"Upptäckten av denna nya typ av interaktion mellan närliggande lager ger oss ett rikt och spännande sätt att utforska och utnyttja aldrig tidigare skådade 3-D magnetiska tillstånd i flerlagers nanoskalamagneter.

"Det är lite som att få en extra ton i en musikskala att spela med - det öppnar upp en helt ny värld av möjligheter, inte bara för konventionell informationsbehandling och lagring, men potentiellt för nya former av datoranvändning har vi inte ens tänkt på ännu."

Överföringen av information mellan skikten som laget har skapat bygger på vad fysiker känner till som kirala spinninteraktioner, en typ av magnetisk kraft som gynnar en speciell känsla av rotation i grannmagneter i nanoskala. Tack vare de senaste framstegen inom spintronik, det är nu möjligt att stabilisera dessa interaktioner inom ett magnetiskt lager. Detta har till exempel utnyttjats för att skapa skyrmioner, en typ av magnetiskt objekt i nanoskala med överlägsna egenskaper för datortillämpningar.

Teamets forskning har nu utökat dessa typer av interaktioner till närliggande lager för första gången. De tillverkade ett flerskiktssystem bildat av ultratunna magnetiska filmer separerade av icke-magnetiska metalliska distanser. Systemets struktur, och en exakt inställning av egenskaperna för varje lager och dess gränssnitt, skapar ovanliga snedställda magnetiska konfigurationer, där magnetfältet i de två skikten bildar vinklar mellan noll och 90 grader.

Till skillnad från vanliga flerskiktsmagneter, det blir lättare för dessa magnetfält att bilda medurs konfigurationer än moturs, ett fingeravtryck som en kiral spin-interaktion mellan lagren existerar mellan de två magnetiska lagren. Detta brott av rotationssymmetri observerades vid rumstemperatur och under standardmiljöförhållanden. Som ett resultat, denna nya typ av interlagermagnetisk interaktion öppnar spännande perspektiv för att realisera topologiskt komplexa magnetiska 3D-konfigurationer i spintroniska teknologier.

Lagets tidning, med titeln "Symmetribrytande mellanlager Dzyaloshinskii-Moriya-interaktioner i syntetiska antiferromagneter", publiceras i Naturmaterial .