Med hjälp av kvantsensorer i nanoskala, ett internationellt forskargrupp har lyckats utforska vissa tidigare okända fysiska egenskaper hos ett antiferromagnetiskt material. Baserat på deras resultat, forskarna utvecklade ett koncept för ett nytt lagringsmedium publicerat i tidskriften Naturfysik . Projektet koordinerades av forskare från institutionen för fysik och det schweiziska nanovetenskapsinstitutet vid universitetet i Basel.

Antiferromagneter utgör 90 % av alla magnetiskt beställda material. Till skillnad från ferromagneter som järn, där atomernas magnetiska moment är orienterade parallellt med varandra, orienteringen av de magnetiska momenten i antiferromagneter växlar mellan närliggande atomer. Som ett resultat av avbrytandet av de alternerande magnetmomenten, antiferromagnetiska material verkar icke-magnetiska och genererar inte ett externt magnetfält.

Antiferromagneter lovar spännande applikationer inom databehandling, eftersom orienteringen av deras magnetiska moment – ​​i motsats till ferromagneterna som används i konventionella lagringsmedier – inte av misstag kan skrivas över av magnetfält. Under de senaste åren har denna potential har gett upphov till det spirande forskningsfältet antiferromagnetisk spintronik, som är i fokus för många forskargrupper runt om i världen.

Kvantsensorer ger nya insikter

I samarbete med forskargrupperna under Dr. Denys Makarov (Helmholtz-Zentrum i Dresden, Tyskland) och professor Denis D. Sheka (Taras Sevchenko National University of Kiev, Ukraina), teamet ledd av professor Patrick Maletinsky i Basel undersökte en enda kristall av krom(III)oxid (Cr2O3). Denna enkristall är ett nästan perfekt ordnat system, där atomerna är ordnade i ett vanligt kristallgitter med mycket få defekter. "Vi kan ändra enkristallen på ett sådant sätt att vi skapar två områden (domäner) där den antiferromagnetiska ordningen har olika orienteringar, " förklarar Natascha Hedrich, huvudförfattare till studien.

Dessa två domäner är åtskilda av en domänvägg. Hittills, experimentella undersökningar av domänväggar av detta slag i antiferromagneter har endast lyckats i enstaka fall och med begränsade detaljer. "Tack vare den höga känsligheten och utmärkta upplösningen hos våra kvantsensorer, vi kunde experimentellt demonstrera att domänväggen uppvisar beteende liknande det hos en såpbubbla, " förklarar Maletinsky. Som en såpbubbla, domänväggen är elastisk och har en tendens att minimera dess ytenergi. Följaktligen, dess bana återspeglar kristallens antiferromagnetiska materialegenskaper och kan förutsägas med en hög grad av precision, vilket bekräftas av simuleringar som utförts av forskarna i Dresden.

Ytarkitektur bestämmer bana

Forskarna utnyttjar detta faktum för att manipulera domänväggens bana i en process som håller nyckeln till det föreslagna nya lagringsmediet. För detta ändamål, Maletinskys team strukturerar selektivt kristallens yta i nanoskala, lämnar efter sig små upphöjda rutor. Dessa rutor ändrar sedan domänväggens bana i kristallen på ett kontrollerat sätt.

Forskarna kan använda orienteringen av de upphöjda kvadraterna för att rikta domänväggen till den ena sidan av torget eller den andra. Detta är den grundläggande principen bakom det nya datalagringskonceptet:om domänväggen löper till "höger" om en upphöjd kvadrat, detta kan representera värdet 1, medan att ha domänväggen till "vänster" kan representera ett värde på 0. Genom lokal uppvärmning med en laser, domänväggens bana kan ändras upprepade gånger, gör lagringsmediet återanvändbart.

"Nästa, vi planerar att titta på om domänväggarna också kan flyttas med hjälp av elektriska fält, " Maletinsky förklarar. "Detta skulle göra antiferromagneter lämpliga som ett lagringsmedium som är snabbare än konventionella ferromagnetiska system, samtidigt som de förbrukar betydligt mindre energi."