Forskare vid PSI har för första gången observerat hur små magneter i en speciell layout anpassar sig enbart som ett resultat av temperaturförändringar. Denna syn på processer som äger rum inom så kallad artificiell spin-is kan spela en viktig roll i utvecklingen av nya högpresterande datorer. Resultaten publicerades idag i tidskriften Nature Physics .

När vatten fryser för att bilda is, ordnar vattenmolekylerna, med sina väte- och syreatomer, sig i en komplex struktur. Vatten och is är olika faser, och omvandlingen från vatten till is kallas en fasövergång. I laboratoriet kan kristaller framställas där de elementära magnetiska momenten, de så kallade spinnen, bildar strukturer jämförbara med is. Det är därför som forskare också kallar dessa strukturer spin ice. "Vi har producerat artificiell spin-is, som i huvudsak består av nanomagneter som är så små att deras orientering bara kan förändras som ett resultat av temperatur", förklarar fysikern Kevin Hofhuis, som precis har avslutat sin doktorsavhandling vid PSI och nu arbetar vid Yale University i USA...

I materialet forskarna använde är nanomagneterna ordnade i hexagonala strukturer – ett mönster som är känt från den japanska konsten att väva korg under namnet kagome. "Magnetiska fasövergångar hade teoretiskt förutspåtts för artificiell kagome-spinnis, men de har aldrig observerats tidigare", säger Laura Heyderman, chef för Laboratory for Multiscale Materials Experiments vid PSI och professor vid ETH Zürich. "Detekteringen av fasövergångar har bara möjliggjorts nu tack vare användningen av den senaste litografin för att producera materialet i PSI-renrummet samt en speciell mikroskopimetod vid Swiss Light Source SLS." Tidskriften Nature Physics publicerar nu resultaten av dessa experiment.

Knepet:Små magnetiska broar

För sina prover använde forskarna en nickel-järnförening som kallas permalloy, som belades som en tunn film på ett kiselsubstrat. De använde en litografiprocess för att upprepade gånger bilda ett litet, hexagonalt mönster av nanomagneter, där varje nanomagnet var ungefär en halv mikrometer (miljondelar av en meter) lång och en sjättedel av en mikrometer bred. Men det är inte allt. "Knepet var att vi kopplade ihop nanomagneterna med små magnetiska broar", säger Hofhuis. "Detta ledde till små förändringar i systemet som gjorde det möjligt för oss att ställa in fasövergången på ett sådant sätt att vi kunde observera den. Dessa broar måste dock vara riktigt små, eftersom vi inte ville ändra systemet för mycket."

Fysikern är fortfarande förvånad över att detta företag faktiskt lyckades. Med skapandet av nanobryggorna drev han upp mot gränserna för den tekniskt möjliga rumsliga upplösningen av dagens litografimetoder. Vissa av broarna är bara tio nanometer (miljarddelar av en meter) tvärs över. Storleksordningarna i detta experiment är verkligen imponerande, säger Hofhuis:"Medan de minsta strukturerna på vårt prov är i nanometerområdet, har instrumentet för att avbilda dem - SLS - en omkrets på nästan 300 meter." Heyderman tillägger:"De strukturer som vi undersöker är 30 miljarder gånger mindre än de instrument som vi undersöker dem med."

Mikroskopi och teori

Vid SIM-strållinjen för SLS använde teamet en speciell metod som kallas fotoemissionselektronmikroskopi som gjorde det möjligt att observera det magnetiska tillståndet för varje enskild nanomagnet i arrayen. De fick aktivt stöd av Armin Kleibert, vetenskapsmannen med ansvar för SIM. "Vi kunde spela in en video som visar hur nanomagneterna interagerar med varandra när vi ändrar temperaturen", sammanfattar Hofhuis. The original images simply contain black and white contrast that switched from time to time. From this, the researchers were able to deduce the configuration of the spins, that is, the alignment of the magnetic moments.

"If you watch a video like this, you don't know what phase you're in," explains Hofhuis. This called for theoretical consideration, which was contributed by Peter Derlet, PSI physicist and adjunct professor at ETH Zurich. His simulations showed what should theoretically happen at the phase transitions. Only the comparison of the recorded images with these simulations proved that the processes observed under the microscope actually are phase transitions.

Manipulating phase transitions

The new study is another achievement in the investigation of artificial spin ice that Laura Heyderman's group has been pursuing for more than a decade. "The great thing about these materials is that we can tailor them and see directly what is happening inside them," the physicist says. "We can observe all sorts of fascinating behavior, including the phase transitions and ordering that depend on the layout of the nanomagnets. This is not possible with spin systems in conventional crystals." Although these investigations are still pure fundamental research at the moment, the researchers are already thinking about possible applications. "Now we know that we can see and manipulate different phases in these materials, new possibilities are opening up," says Hofhuis.

Controlling different magnetic phases could be interesting for novel types of data processing. Researchers at PSI and elsewhere are investigating how the complexity of artificial spin ice could be used for novel high-speed computers with low power consumption. "The process is based on the information processing in the brain and takes advantage of how the artificial spin ice reacts to a stimulus such as a magnetic field or an electric current," explains Heyderman. + Utforska vidare

Printing circuits on rare nanomagnets puts a new spin on computing