In uno sforzo pionieristico di controllo, misurare e comprendere il magnetismo a livello atomico, i ricercatori che lavorano presso il National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno scoperto un nuovo metodo per manipolare le proprietà su scala nanometrica dei materiali magnetici.

La capacità di controllare queste proprietà ha potenziali applicazioni nella creazione e nel miglioramento della memoria magnetica nei dispositivi elettronici di consumo, e lo sviluppo di un rivelatore sensibile per nanoparticelle magnetiche.

La scoperta si concentra su una proprietà quantomeccanica nota come spin, che conferisce agli elettroni un minuscolo campo magnetico. Lo spin dell'elettrone può puntare in una delle due direzioni, "su o giù, " così come il campo magnetico che l'accompagna. Nel corso degli anni, gli scienziati sono diventati abili nell'invertire la direzione della rotazione, e quindi, la direzione del campo magnetico. Ma la nuova scoperta ha una svolta innovativa.

In alcuni materiali, come il cobalto, gli spin degli elettroni vicini interagiscono, facendoli puntare tutti nella stessa direzione. Se alcuni giri vengono allontanati forzatamente da quella direzione, tirano con sé alcuni dei giri vicini. Ciò fa sì che le rotazioni subiscano una rotazione graduale, in senso orario o antiorario. In alcuni materiali, gli spin preferiscono girare in una sola direzione.

Un team guidato dal ricercatore del NIST Samuel Stavis e Andrew Balk, ora al Laboratorio Nazionale di Los Alamos, trovato un modo per controllare la direzione di questa torsione in una pellicola di cobalto spessa appena tre strati atomici. Inoltre, potrebbero impostare questa direzione in modo che sia diversa in luoghi diversi sullo stesso film di cobalto, e farlo indipendentemente dalle altre proprietà magnetiche del metallo.

Il team ha raggiunto questa nuova capacità controllando un effetto noto come interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), che impone una direzione di torsione preferita sui giri. Il DMI si verifica in genere al confine tra un film sottile di un metallo magnetico e uno strato di metallo non magnetico. Gli spin degli elettroni nel film magnetico interagiscono con gli atomi nel film non magnetico, creando una svolta preferenziale.

Il controllo della DMI può aumentare la memoria magnetica, che utilizza l'orientamento della rotazione per memorizzare le informazioni. Un dispositivo di memoria necessita di due stati distinti, che rappresenta un uno o uno zero, nel caso di un disco rigido magnetico, elettroni con spin verso l'alto o verso il basso. Per scrivere i dati, i progettisti hanno bisogno di un modo prevedibile per passare da un orientamento di rotazione all'altro. Il controllo della direzione e della quantità di rotazione potrebbe consentire allo spin flip di avvenire in modo più efficiente e affidabile rispetto a se la rotazione fosse casuale, Note esitanti.

Il controllo della DMI svolge anche un ruolo chiave in un altro tipo di memoria magnetica. Se il DMI è abbastanza forte, torcerà gli spin vicini in uno schema a vortice circolare, e potrebbe potenzialmente creare nodi magnetici esotici chiamati skyrmions. Questi nodi simili a particelle possono memorizzare informazioni, e la loro esistenza o assenza in un film sottile magnetico potrebbe agire in modo molto simile agli uni e agli zeri dei circuiti logici elettronici. Regolando il DMI, i ricercatori possono creare skyrmions, che richiederebbe meno energia per funzionare rispetto ad altri tipi di memoria magnetica, e dovrebbero essere in grado di guidare il loro movimento attraverso un materiale magnetico.

I ricercatori descrivono il loro lavoro in Physical Review Letters.

Nel loro esperimento, i ricercatori hanno inserito un sottile film di cobalto tra due strati di platino, un metallo non magnetico. Hanno quindi bombardato il tristrato con ioni di argon, che ha spazzato via la pellicola di platino superiore e irruvidito il confine superiore tra platino e cobalto, a seconda dell'energia degli ioni. Gli scienziati hanno scoperto che quando hanno usato ioni di argon con maggiore energia, il DMI era negativo, torcendo le rotazioni del cobalto in senso antiorario, e quando usavano ioni di argon con energia inferiore, il DMI è stato positivo, e torcerebbe i giri in senso orario. Quando esposto a ioni di argon di energia intermedia, il DMI era zero, rendendo ugualmente probabile che le rotazioni ruotino in senso orario o antiorario.

I ricercatori hanno fatto la loro scoperta mettendo a punto le proprietà magnetiche di un film di cobalto per sviluppare un sensore per nanoparticelle magnetiche. Così facendo, il team si rese conto di aver trovato un nuovo modo per manipolare il DMI.

Poiché gli ioni di argon con energie diverse potrebbero essere mirati a regioni specifiche all'interno del cobalto, i ricercatori sono stati in grado di fabbricare film di cobalto il cui DMI variava sulla superficie del materiale.

"Sei decenni dopo che Dzyaloshinskii e Moriya scoprirono questa interazione, il nostro nuovo processo per controllarlo spazialmente, indipendentemente da altre proprietà magnetiche, consentirà nuovi studi scientifici del DMI e consentirà la fabbricazione di nuovi dispositivi nanomagnetici, "Ha detto Balk.

Finalmente, gli scienziati hanno scoperto che il controllo del DMI rendeva effettivamente il film più sensibile ai campi magnetici delle nanoparticelle. In un secondo momento, il team prevede di pubblicare il lavoro sull'applicazione del film come sensore di nanoparticelle per gli utenti del Centro NIST per la scienza e la tecnologia su scala nanometrica, dove è stato eseguito il lavoro.