Ett multinationellt team av forskare från Tohoku University och institutioner i Storbritannien, Tyskland och Schweiz har avslöjat magnetiska tillstånd för nanoskala gyroider, 3D-kirala nätverksliknande nanostrukturer. Resultaten lägger till ett nytt kandidatsystem för forskning om okonventionell informationsbehandling och framväxande fenomen som är relevanta för spintronics.

Matriser med interagerande nanostrukturer erbjuder möjligheten att realisera oöverträffade materialegenskaper, eftersom interaktioner kan ge upphov till nya, "framväxande" fenomen. I magnetism, sådana framväxande fenomen har hittills bara visats i 2-D, i konstgjorda spinnisar och magnoniska kristaller. Dock, framsteg mot att förverkliga magnetiska "metamaterial, "som kan utgöra grunden för avancerade spintronic-enheter genom att visa nya effekter i 3D, har hindrats av två hinder. Det första är behovet av att tillverka komplexa 3D-byggstenar i dimensioner mindre än 100 nm (jämförbara med inneboende magnetiska längdskalor) och den andra är utmaningen att visualisera deras magnetiska konfigurationer.

Forskargruppen beslutade därför att studera nanoskala magnetiska gyroider, 3D-nätverk som består av 3 anslutna hörn definierade av triader av böjda nanotrådliknande stag (Figur 1). Gyroider har väckt stort intresse, eftersom de trots sin komplexitet kan montera sig själv från en noggrant formulerad kombination av polymerer, som kan användas som en 3D-form eller mall för att bilda fristående nanostrukturer (Figur 2). När stöttarna ansluter till spiraler, gyroider har en "handsness" eller kiralitet, och deras form gör magnetiska gyroider till idealiska system för att testa förutsägelser om nya magnetiska egenskaper som kommer från krökning. Mätningar av de optiska egenskaperna hos gyroider visade till och med att gyroider kan ha topologiska egenskaper, som tillsammans med kirala effekter för närvarande är föremål för intensiv studie för att utveckla nya klasser av spintronic -enheter. Dock, de magnetiska tillstånd som kan finnas i gyroider ännu inte hade fastställts, som leder till den aktuella studien.

Forskarna producerade Ni ₇₅ Fe ₂₅ singel-gyroid och dubbel-gyroid (bildad av ett spegelbildpar av en-gyroider) nanostrukturer med 11 nm diameter stag och en 42 nm enhet cell, via block-sampolymermallning och elektrodeponering. Dessa dimensioner är jämförbara med domänväggbredder och spinnvågsvåglängder i Ni-Fe. De avbildade sedan sköldkörtelnanopartiklarna med elektronholografi utanför axeln, som skulle kunna kartlägga magnetiserings- och avvikande magnetfältmönster i och runt gyroidernas struts med nanometer rumslig upplösning. Analys av mönstren med hjälp av mikromagnetiska simuleringar med ändliga element avslöjade ett mycket invecklat magnetiskt tillstånd som är övergripande ferromagnetiskt men utan en unik jämviktskonfiguration (figur 3), vilket innebär att en magnetisk sköldkörtel kan anta ett stort antal stabila tillstånd.

"Dessa fynd etablerar magnetiska gyroider som en intressant kandidat för applikationer som reservoarberäkning och spinnvåglogik, "sa huvudförfattaren Justin Llandro." Forskningen tar ett spännande första steg mot 3D-nanoskala magnetiska metamaterial som kan användas för att avslöja nya framväxande effekter och främja både grundläggande och tillämpad spintronikforskning. "