I arbete som skulle kunna bidra till att möjliggöra en snabbare, mer långvarig och energisnål metod för datalagring för konsumenter och företag, forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och deras kollegor har utvecklat en teknik för att avbilda och studera en lovande klass av magnetiska enheter med 10 gånger mer detaljer än optiska mikroskop.

Magnetiska material har lockat ett växande antal forskare i strävan efter att snabbare lagra och läsa bitar av digital information. I ett magnetiskt system, data kodas av magnetiseringens riktning:En streckmagnet med nordpolen uppåt kan representera den binära koden "0, " medan samma magnet med nordpolen nedåt kan representera en "1." Till skillnad från standardhalvledarchipet, magnetiska minnesenheter kan behålla information även om strömmen är avstängd.

Genom att kontrollera när och hur snabbt magnetiseringen kan vändas utan att förbruka betydande elektrisk kraft, forskare hoppas kunna förbättra en befintlig teknik som kallas Magnetic Random Access Memory, eller MRAM, till ett ledande verktyg för läsning, skriva och lagra information. MRAM är ännu inte konkurrenskraftigt med andra befintliga metoder för datalagring som flash-RAM, men erbjuder fördelar jämfört med dagens teknologier som minskad energiförbrukning.

För att förverkliga löftet om MRAM, forskare undersöker den magnetiska strukturen i nanometerskala hos tunna metallfilmer som har potential att fungera som minnesenheter i MRAM. På NIST, Ian Gilbert och hans kollegor har använt en högupplöst elektronavbildningsteknik, utvecklad av fysikern John Unguris, att undersöka nanostrukturen hos magnetiska filmer före och efter att deras magnetisering är omvänd.

Tekniken, svepelektronmikroskopi med polarisationsanalys (SEMPA), använder en stråle av elektroner spridda från en tunn film för att avslöja nanoskala topografi, fylld av kullar och dalar i miniatyr, av filmens yta. Elektroner som skjuts ut från ytan av den inkommande elektronstrålen detekteras också och separeras i enlighet med riktningen för deras spinn - en kvantegenskap som ger de laddade partiklarna ett inneboende vinkelmoment och ett litet magnetfält. Riktningen för de utstötta elektronernas snurr avslöjar variationer i provets magnetiska struktur - förändringar i magnetiseringsriktningen - på en skala som är cirka 10 gånger mindre än vad man kan se med ett optiskt mikroskop.

SEMPA:s förmåga att urskilja små magnetiska strukturer är avgörande eftersom ingenjörer tillverkar mindre och mindre magnetiska minnesenheter, noterade Gilbert. Med SEMPA, "vi kan se dessa riktigt fina texturer i magnetiseringen, " han sa.

Gilbert och hans medarbetare, som inkluderar forskare från NIST och University of Maryland, använde också elektronspin för att vända magnetiseringen i deras tunnfilmsprov, en legering av kobolt, järn och bor. Genom att leda en liten elektrisk ström genom en underliggande remsa av en omagnetisk metallfilm som platina, laget skapade en ström av elektroner vars snurr alla pekar i samma riktning. När denna ström av elektroner, känd som en spinnström, passerade genom den magnetiska tunna filmen, deras snurr utövade en liten vridningskraft, eller vridmoment, på filmens magnetiska områden. Vridmomentet var tillräckligt stort för att rotera och vända magnetiseringen.

SEMPA-bilderna som togs innan en ström applicerades avslöjade att magnetiseringens riktning varierade, på nanoskala, över tunnfilmsprovet. Varje liten del av provet har sin egen föredragna axel längs vilken magnetiseringen pekar, sa Gilbert. Teamet rapporterade nyligen sina resultat i tidskriften Fysisk granskning B .

Sådana nanoskaliga variationer av magnetiseringen kan bli avgörande för att dokumentera, sa Gilbert, för ingenjörer som försöker optimera prestandan hos en magnetisk minnesenhet. Variationen i magnetiseringsriktningen kan också påverka elektronspinnets förmåga att vända magnetiseringen.

"Istället för att vända magnetiseringen uppåt eller nedåt, spinnströmmen vänder magnetiseringen längs vad den föredragna lokala [spin]-axeln än råkar vara, " noterar Gilbert. Variationen i magnetiseringsriktningen tyder på att material som används för magnetiska minnesenheter kan behöva värmas försiktigt, en process som anpassar magnetiska domäner i nanoskala.

I separat arbete, NIST-forskarna Mark Stiles och Vivek Amin, som har ett gemensamt möte med University of Maryland, fokusera på teorin som beskriver vridmomentet uppmätt i SEMPA-experimenten. Där, en ström av polariserade elektroner som genereras i en omagnetisk metallremsa interagerar med magnetiseringen av ett överliggande material. Särskilt, teamet har utvecklat en modell som kan hjälpa till att avgöra vilken grupp av polariserade elektroner som spelar den viktigaste rollen för att vända magnetiseringsriktningen i intilliggande material - de som har sitt ursprung på ytan av det omagnetiska materialet eller de från det inre.

Svaret kan vägleda tillverkningen av mer effektiva magnetiska minnesenheter. Till exempel, att bestämma vilken grupp av elektroner som är de dominerande aktörerna skulle kunna föreslå sätt att minimera strömmen som behövs för att vända magnetiseringen, sa Stiles.

"Just nu, vi håller på att publicera modellen för experimentalister, försöker få dem att använda det för att bättre förstå deras data, " noterade han.