Forskare från Oxford Universitys institution för fysik har gjort ett genombrott i att skapa och designa magnetiska virvlar i membran som sömlöst kan integreras med kisel. Dessa orkanliknande magnetiska virvlar, som tros röra sig med otroliga hastigheter på upp till kilometer per sekund, skulle kunna användas som informationsbärare i en ny generation av gröna och supersnabba datorplattformar.
Studien, "Spatialt omkonfigurerbara antiferromagnetiska tillstånd i topologiskt rika fristående nanomembran", har publicerats i Nature Materials .
Traditionellt kunde dessa svårfångade virvlar endast produceras i material som har begränsad kompatibilitet med kisel, vilket hindrar deras praktiska tillämpning. Detta hinder övervanns genom att utveckla en ny form av magnetiska lager som kan lossas från sina ursprungliga kristallvärdar och överföras till vilken plattform som helst – som en kiselskiva.
Arbetet leddes av Dr. Hariom Jani från Oxford Universitys institution för fysik som arbetar i professor Paolo Radaellis forskargrupp, i samarbete med National University of Singapore och Swiss Light Source.
Dr Jani sa:"Kiselbaserad datoranvändning är alldeles för energiineffektiv för nästa generations datortillämpningar såsom fullskalig AI och autonoma enheter. Att övervinna dessa utmaningar kommer att kräva ett nytt datorparadigm som använder fysiska fenomen som båda är snabba och effektiv för att utöka nuvarande teknik."
"Vi har tittat på att utnyttja magnetiska virvlar i en speciell klass av material som kallas antiferromagneter, som är 100–1 000 gånger snabbare än moderna enheter. Problemet hittills har varit att dessa virvlar bara kan skapas på stela kristallmallar som är inkompatibla med nuvarande kiselbaserad teknologi, så vårt mål var att komma på ett sätt att översätta dessa exotiska virvlar till kisel."
"För att uppnå detta tillverkade vi ultratunna kristallina membran av hematit (huvudkomponenten i rost och därmed den vanligaste antiferromagneten) som sträckte sig i sidled över makroskopiska dimensioner", förklarar professor Radaelli. "Sådana membran är relativt nya i världen av kristallina kvantmaterial och kombinerar fördelaktiga egenskaper hos både bulk 3D-keramik och 2D-material, samtidigt som de är lätta att överföra."
Hematitskiktet odlades ovanpå en kristallmall som var belagd med ett speciellt "offerlager" tillverkat av en cementkomponent. Detta offerlager löstes upp i vatten, vilket lätt separerade hematiten från kristallbasen. Slutligen överfördes det fristående hematitmembranet till kisel och flera andra önskvärda plattformar.
Gruppen utvecklade en ny avbildningsteknik som använder linjärt polariserad röntgenstrålning för att visualisera de magnetiska mönstren i nanoskala inom dessa membran. Denna metod avslöjade att de fristående skikten kan vara värd för en robust familj av magnetiska virvlar. Potentiellt kan detta möjliggöra ultrasnabb informationsbearbetning.
"En av våra mest spännande upptäckter var den extrema flexibiliteten hos våra hematitmembran", säger Dr. Jani.
"Till skillnad från deras styva, keramikliknande bulkmotsvarigheter som är benägna att gå sönder, kan våra flexibla membran vridas, böjas eller krullas till olika former utan att spricka. Vi utnyttjade denna nyfunna flexibilitet för att designa magnetiska virvlar i tre dimensioner, något som tidigare var inte möjligt I framtiden kan formen på dessa membran justeras för att realisera helt nya virvlar i 3D-magnetiska kretsar."
Gruppen arbetar nu med att utveckla prototypenheter som kommer att använda elektriska strömmar för att excitera den rika dynamiken i dessa supersnabba virvlar. Dr. Jani avslutar:"Så småningom skulle sådana enheter kunna integreras i nya typer av datorer som fungerar mer som den mänskliga hjärnan – vi är mycket spända på vad som kommer härnäst."
Mer information: Hariom Jani et al, Rumsligt omkonfigurerbara antiferromagnetiska tillstånd i topologiskt rika fristående nanomembran, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01806-2
Tillhandahålls av University of Oxford
