Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har testat en ny metod för att tillverka spinnventiler. Med hjälp av jonstrålar, forskarna har lyckats strukturera en järnaluminiumlegering på ett sådant sätt att de delar upp materialet i individuellt magnetiserbara områden på nanometerskala. Den förberedda legeringen kan således fungera som en spinnventil, som är av stort intresse som en kandidatkomponent för användning inom spintronik. Denna teknik använder inte bara elektronladdning i syfte att lagra och bearbeta information, den använder också sina inneboende magnetiska egenskaper (det vill säga dess spin). Spintronics har stor potential för magnetiska lagringsmedia. Till exempel, med magnetiska direktminnen kan en dators tidskrävande uppstartsfas upphöra att vara ett problem – eftersom den i så fall skulle vara i drift så snart den slås på.

Vanligtvis, en spinnventil är uppbyggd av på varandra följande icke-magnetiska och ferromagnetiska skikt. Denna skiktning är en mycket involverad process och att få dessa komponenter att ansluta på ett tillförlitligt sätt är en stor utmaning. Det är därför HZDR-forskaren Dr Rantej Bali och hans kollegor tar ett helt annat tillvägagångssätt. "Vi har byggt strukturer med lateral spin ventilgeometri där de olika magnetiska regionerna är organiserade bredvid varandra i motsats till i lager ovanpå varandra, " förklarar Bali. Tanken bakom denna nya geometri är att underlätta parallellarbete på större ytor samtidigt som tillverkningskostnaderna hålls låga.

Först, forskarna glödgade ett tunt lager av en järnaluminiumlegering (Fe60Al40) vid 500 grader C. Detta resulterade i bildandet av en högordnad struktur, där vartannat atomlager bestod uteslutande av järnatomer. Enligt forskarnas förväntningar, detta ämne uppträdde som ett paramagnetiskt material – med andra ord, de magnetiska momenten blev oordnade. Efter det här, forskarna belade legeringen med en skyddande polymerresist så att ett randigt mönster skapades på dess yta. De resistfria områdena var omväxlande 2 och 0,5 mikrometer breda, och avgörande, var separerade från varandra med 40 nanometer breda resistremsor.

Nästa, materialet bestrålades med neonjoner vid HZDR:s Ion Beam Center – med viktiga konsekvenser. Forskarna kunde visa att det bestrålade materialet uppvisar mycket intressanta egenskaper. Under de skyddande resistremsorna, materialet förblir paramagnetiskt medan de resistfria smala och breda ränderna faktiskt blir ferromagnetiska. "En spinnventil kopplas om via magnetfältet. Ändring av spinns inriktning – parallell eller antiparallell – ändrar det elektriska motståndet. Vi är intresserade av effektens storlek, " säger Bali. Ett externt applicerat magnetfält justerar spinnen inom dessa regioner. Beroende på magnetfältets styrka, de kan justeras så att de går parallellt eller antiparallellt. Denna magnetisering är permanent och går inte förlorad om det yttre fältet stängs av.

Orsaken till detta beteende ligger i det faktum att jonstrålen förändrar legeringens struktur. "Jonerna förstör järnlagrens högordnade struktur. De slår atomerna ur position och andra atomer tar deras plats, och, som ett resultat, järn- och aluminiumatomerna blir slumpmässigt fördelade, " förklarar Sebastian Wintz, en Ph.D. student som ingick i teamet av forskare. En liten dos joner räcker för att spela det här spelet på atomnivå. Wintz karakteriserar processen enligt följande:"Det är en kaskad, verkligen. En enda jon kan förskjuta upp till 100 atomer." Områdena under polymeren motstår ränder, å andra sidan, är ogenomträngliga för jonerna – vilket är anledningen till att dessa områden förblir paramagnetiska och separerar de ferromagnetiska ränderna.

Samarbete med Helmholtz Center Berlin I nära samarbete med forskare vid Helmholtz Center Berlin (HZB), HZDR-forskarna kunde visualisera materialets magnetiska struktur med hjälp av det speciella SPEEM (spin-resolved photoemission microscope) vid HZB:s BESSY II-synkrotron. De mikroskopiska bilderna visade förekomsten av regioner med paramagnetisk och ferromagnetisk ordning, vilket visar den höga nivån av rumslig upplösning som kan realiseras genom struktureringsprocessen med jonstrålar.

Ytterligare experiment kommer att tillåta Rantej Bali och hans kollegor att undersöka egenskaperna hos dessa magnetiskt strukturerade material. Forskarna försöker också ta reda på gränserna för miniatyrisering av magnetiska nanostrukturer.