I vissa material bildar spinn komplexa magnetiska strukturer inom nanometer- och mikrometerskalan där magnetiseringsriktningen vrider sig och krullar längs specifika riktningar. Exempel på sådana strukturer är magnetiska bubblor, skyrmioner och magnetiska virvlar.
Spintronics siktar på att använda sådana små magnetiska strukturer för att lagra data eller utföra logiska operationer med mycket låg strömförbrukning jämfört med dagens dominerande mikroelektroniska komponenter. Generering och stabilisering av de flesta av dessa magnetiska texturer är dock begränsad till ett fåtal material och kan uppnås under mycket specifika förhållanden (temperatur, magnetfält, etc.).
Ett internationellt samarbete ledd av HZB-fysikern Dr Sergio Valencia har nu undersökt ett nytt tillvägagångssätt som kan användas för att skapa och stabilisera komplexa spinntexturer, såsom radiella virvlar, i en mängd olika föreningar. I en radiell virvel pekar magnetiseringen mot eller bort från strukturens centrum. Denna typ av magnetisk konfiguration är vanligtvis mycket instabil.
Inom detta nya tillvägagångssätt skapas radiella virvlar med hjälp av supraledande strukturer, medan närvaron av ytdefekter uppnår deras stabilisering.
Proverna består av mikrometerstora öar gjorda av högtemperatursupraledaren YBCO på vilka en ferromagnetisk förening är avsatt. Vid kylning av provet under 92 Kelvin (-181 °C) går YBCO in i supraledande tillstånd.
I detta tillstånd appliceras ett externt magnetfält och avlägsnas omedelbart. Denna process tillåter penetrering och fastsättning av magnetiska flödeskvantor, vilket i sin tur skapar ett magnetiskt ströfält.
Det är detta ströfält som producerar nya magnetiska mikrostrukturer i det överliggande ferromagnetiska lagret:spinn utgår radiellt från strukturens centrum, som i en radiell virvel.
När temperaturen höjs övergår YBCO från supraledande till ett normalt tillstånd. Så det ströfält som skapas av YBCO-öarna försvinner, och det borde den magnetiska radiella virveln också. HZB-forskare och samarbetspartners har emellertid observerat att närvaron av ytdefekter förhindrar detta från att hända:de radiella virvlarna bibehåller delvis det intryckta tillståndet, även när de närmar sig rumstemperatur.
"Vi använder magnetfältet som genereras av de supraledande strukturerna för att trycka in vissa magnetiska domäner på ferromagneterna som placeras på dem och ytdefekterna för att stabilisera dem. De magnetiska strukturerna liknar den hos en skyrmion och är intressanta för spintroniska tillämpningar", förklarar Valencia. .
Mindre präglade virvlar var cirka 2 mikrometer i diameter, cirka 10 gånger storleken på typiska skyrmioner. Teamet studerade prover med cirkulära och kvadratiska geometrier och fann att cirkulära geometrier ökade stabiliteten hos präglade magnetiska radiella virvlar.
"Detta är ett nytt sätt att skapa och stabilisera sådana strukturer och det kan användas i en mängd olika ferromagnetiska material. Det här är goda nya möjligheter för vidareutvecklingen av supraledande spintronik", säger Valencia.
Studien är publicerad i tidskriften ACS Applied Materials &Interfaces .
Mer information: David Sanchez-Manzano et al., Storleksberoende och hög temperaturstabilitet hos magnetiska strukturer i radiella virveln som präglats av Superconductor Stray Fields, ACS Applied Materials &Interfaces (2024). DOI:10.1021/acsami.3c17671
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Helmholtz Association of German Research Centers
