Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och ETH Zürich har upptäckt ett speciellt fenomen av magnetism i nanoområdet. Det gör att magneter kan monteras i ovanliga konfigurationer. Detta kan användas för att bygga datorminnen och switchar för att öka prestandan hos mikroprocessorer. Resultaten av detta arbete har nu publicerats i tidskriften Vetenskap .

Magneter kännetecknas av att de har en nordpol och en sydpol. Om två gemensamma magneter hålls nära varandra, motsatta poler attraherar och lika poler stöter bort varandra. Det är därför magnetiska nålar, som de som finns i en kompass, anpassa sig i jordens magnetfält så att vi kan använda dem för att bestämma kardinalriktningarna norr och söder och, härrör från detta, Öst och väst. I världen som vi upplever varje dag med våra sinnen, denna regel är korrekt. Dock, om du lämnar den makroskopiska världen och dyker ner i djup av mycket mindre dimensioner, detta ändras. Forskare vid Paul Scherrer Institute PSI och ETH Zürich har nu upptäckt en mycket speciell magnetisk interaktion i nivå med nanoskopiska strukturer gjorda av magnetiska lager som bara är några atomer tjocka.

Atomerna fungerar som små kompassnålar och utvecklar sin effekt över små avstånd inom nanometerområdet, betyder några miljondelar av en millimeter. Det är därför forskare också kallar dem nanomagneter.

Fenomenet som forskare vid PSI nu har kunnat observera bygger på en interaktion som de två fysikerna Igor Dzyaloshinskii och Toru Mariya förutspådde för mer än 60 år sedan. "Det var vår utgångspunkt", säger Zhaochu Luo, fysiker vid PSI och ETH Zürich.

Nordvästlig och sydöstlig koppling av atomer

I denna interaktion, atomkompassnålarna riktar sig inte bara i nord-sydlig riktning, men också i öst-västlig riktning. "Vart de pekar beror på hur atomerna i deras grannskap orienterar sig", säger Zhaochu Luo, första författare till studien. Till exempel, om en grupp atomer pekar mot norr, granngruppen pekar alltid västerut. Och om en grupp atomer pekar söderut, då orienterar sig grannatomerna i öster.

Dessa orienteringar kan vändas av magnetiska fält eller elektriska strömmar, det vill säga från norr till söder och vice versa. De angränsande atomgrupperna omorienterar sig sedan i enlighet därmed, antingen från väst till öst eller vice versa.

Forskarna upptäckte kopplingen av nordvästlig och sydöstlig orientering med hjälp av ett lager av koboltatomer endast 1,6 nanometer tjockt, som låg mellan ett platinaskikt på ena sidan och ett aluminiumoxidskikt på den andra. "Utvecklingen av dessa speciella lager för våra experiment enbart tog ungefär ett halvår", säger Zhaochu Luo. Han arbetar i forskargruppen Mesoscopic Systems vid PSI som leds av Laura Heyderman, som också är professor vid ETH Zürich.

Vad som är ovanligt är att denna interaktion sker i sidled, det är i ett plan. Tidigare, jämförbara kopplingar mellan nanomagneter kunde endast detekteras vertikalt, med grupper av atomer anordnade ovanför varandra.

Fenomenet som observerats gemensamt av PSI och ETH Zürichs forskare möjliggör utvecklingen av plana magnetiska nätverk. Bland annat, syntetiska antiferromagneter kan tillverkas. I dessa antiferromagneter, atomgrupper pekar antingen norr eller söder med jämna mellanrum. The number of opposing nanomagnets is approximately the same, so that they neutralize each other in sum. This is why, at first glance, antiferromagnets do not act like magnets—for example, they do not stick to a fridge door.

The neighbouring atoms, which are oriented either to the West or to the East, act as spacers separating the magnets pointing North or South, each of which is as small as a few nanometres. This makes it possible, till exempel, to build new, more efficient computer memories and switches, which in turn makes microprocessors more powerful.

Logical gates for computers

The individual nanomagnets, which face either North or South, are suitable for constructing logic gates. A logic gate is a building block in a computer and functions as a kind of switch. Signals enter these gates and are then processed into an output signal. In a computer, many of these gates are networked to perform operations. Such a gate can also be constructed with the help of nanomagnets aligned to the North or South. These are analogous to processors commonly used today with transistors processing signals in binary form, which interpret all signals as zero or one. Nanomagnets that are oriented either North or South can also do this. This could make microprocessors more compact and efficient.

According to Pietro Gambardella, who supervised this study with Laura Heyderman, "this work provides a platform to design arrays of linked nanomagnets and achieve all-electric control of planar logic gates and storage devices", the scientists now write in Vetenskap .