La riga superiore mostra la fase dell'elettrone, la seconda riga mostra l'induzione magnetica, e la riga inferiore mostra schemi per la fase simulata di diverse caratteristiche del dominio magnetico in campioni di materiale multistrato. La prima colonna è per un materiale a film sottile simmetrico e la seconda colonna è per un film sottile asimmetrico contenente gadolinio e cobalto. Le barre della scala sono 200 nanometri (miliardesimi di metro). Le linee tratteggiate indicano le pareti del dominio e le frecce indicano la chiralità o "mano". Le immagini sottostanti nelle due righe superiori sono state prodotte utilizzando una tecnica presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab nota come microscopia di Lorentz. Fare clic sull'immagine per visualizzarla in una dimensione più grande. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Un team di scienziati che lavorano presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia ha confermato una proprietà speciale nota come "chiralità, che potrebbe essere sfruttata per trasmettere e archiviare dati in un modo nuovo, in campioni di nanometri di spessore multistrato". materiali che hanno una struttura disordinata.
Mentre la maggior parte dei dispositivi elettronici si basa sul flusso di carica degli elettroni, la comunità scientifica è alla ricerca febbrile di nuovi modi per rivoluzionare l'elettronica progettando materiali e metodi per controllare altre caratteristiche intrinseche degli elettroni, come le loro orbite attorno agli atomi e il loro spin, che può essere pensato come un ago della bussola sintonizzato per guardare in direzioni diverse.
Queste proprietà, gli scienziati sperano, può abilitare più velocemente, più piccoli, e una memorizzazione dei dati più affidabile facilitando la spintronica, un aspetto del quale è l'uso della corrente di spin per manipolare domini e pareti di dominio. I dispositivi spintronics potrebbero generare meno calore e richiedere meno energia rispetto ai dispositivi convenzionali.
Nell'ultimo studio, dettagliato nell'edizione online del 23 maggio della rivista Materiale avanzato , gli scienziati che lavorano presso la Molecular Foundry e Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab hanno confermato una chiralità, o manualità, nelle regioni di transizione, chiamate pareti di dominio, tra domini magnetici vicini che hanno spin opposti.
Gli scienziati sperano di controllare la chiralità, analoga alla destrezza o alla mancina, per controllare i domini magnetici e trasmettere zeri e uno come nella memoria del computer convenzionale.
I campioni erano composti da una lega amorfa di gadolinio e cobalto, racchiusa tra strati ultrasottili di platino e iridio, che sono noti per avere un forte impatto sugli spin vicini.
I moderni circuiti informatici utilizzano comunemente wafer di silicio basati su una forma cristallina di silicio, che ha una struttura regolarmente ordinata. In questo ultimo studio, i campioni di materiale utilizzati negli esperimenti erano amorfi, o non cristallino, il che significa che la loro struttura atomica era disordinata.
Gli esperimenti hanno rivelato una chiralità dominante nelle proprietà magnetiche di queste pareti di dominio che potrebbe essere capovolta nel suo opposto. Un tale meccanismo di capovolgimento è una tecnologia abilitante fondamentale per la spintronica e campi di ricerca varianti che si basano sulla proprietà di spin dell'elettrone.
Il team scientifico ha lavorato per identificare il giusto spessore, concentrazione, e stratificazione di elementi, e altri fattori per ottimizzare questo effetto chirale.
"Ora abbiamo la prova che possiamo avere magnetismo chirale in film sottili amorfi, che nessuno aveva mostrato prima, " ha detto Robert Streubel, l'autore principale dello studio e un ricercatore post-dottorato nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab. Il successo degli esperimenti, Egli ha detto, apre la possibilità di controllare alcune proprietà dei muri di dominio, come la chiralità, con la temperatura, e di scambiare le proprietà chirali di un materiale con la luce.
In queste file di immagini in sequenza, prodotto utilizzando tecniche a raggi X, la prima colonna mostra lo stato smagnetizzato di un materiale multistrato contenente gadolinio e cobalto; la seconda colonna mostra il magnetismo residuo negli stessi campioni dopo un esterno, campo magnetico positivo è stato applicato e poi rimosso; e l'ultima colonna mostra i campioni quando viene applicato un campo magnetico negativo. Le frecce bianche nella terza riga di immagini indicano regioni ricche di gadolinio nel materiale. Fare clic sull'immagine per visualizzarla in una dimensione più grande. Credito:Lawrence Berkeley National Laboratory
Materiali amorfi, nonostante la loro struttura disordinata, potrebbe anche essere prodotto per superare alcune delle limitazioni dei materiali cristallini per applicazioni di spintronica, ha notato Streubel. "Volevamo studiare questi materiali più complessi che sono più facili da realizzare, soprattutto per applicazioni industriali."
Il team di ricerca ha arruolato un unico, tecnica di microscopia elettronica ad alta risoluzione presso la Molecular Foundry del Berkeley Lab, e ha condotto gli esperimenti in una cosiddetta modalità di osservazione di Lorentz per visualizzare le proprietà magnetiche dei campioni di materiale. Hanno combinato questi risultati con quelli di una tecnica a raggi X presso la SLA nota come spettroscopia di dicroismo circolare magnetico per confermare la chiralità magnetica su nanoscala nei campioni.
La tecnica di microscopia di Lorentz impiegata presso il Centro nazionale per la microscopia elettronica della fonderia molecolare ha fornito la risoluzione di decine di nanometri necessaria per risolvere le proprietà del dominio magnetico note come trame di spin.
"Questa alta risoluzione spaziale in questo strumento ci ha permesso di vedere la chiralità nelle pareti del dominio e abbiamo guardato attraverso l'intera pila di materiali, " ha detto Peter Fischer, un co-leader dello studio e uno scienziato senior dello staff nella divisione di scienze dei materiali del laboratorio.
Fischer ha osservato che la sempre più precisa, tecniche sperimentali ad alta risoluzione, che utilizzano fasci di elettroni e raggi X, per esempio, ora consente agli scienziati di esplorare materiali complessi privi di una struttura ben definita.
"Ora stiamo cercando nuovi tipi di sonde, " Egli ha detto, che stanno perforando su scale sempre più piccole. "Nuove proprietà e scoperte possono verificarsi abbastanza spesso nelle interfacce dei materiali, ecco perché ci chiediamo:cosa succede quando metti uno strato accanto all'altro? E in che modo questo influisce sulle trame di rotazione, quali sono i paesaggi magnetici degli orientamenti di spin di un materiale?"
Lo strumento di ricerca definitivo, Fischer ha detto, che è all'orizzonte con la prossima generazione di sonde per elettroni e raggi X, fornirebbe agli scienziati la capacità di vedere direttamente, a risoluzione atomica, la commutazione magnetica che si verifica nelle interfacce di un materiale su scale temporali di femtosecondi (quadrillionesimi di secondo).
"Il nostro prossimo passo è quindi entrare nella dinamica della chiralità di questi muri di dominio in un sistema amorfo:immaginare questi muri di dominio mentre si muovono, e vedere come gli atomi sono assemblati insieme, " Egli ha detto.
Streubel ha aggiunto, "È stato davvero uno studio profondo in quasi tutti gli aspetti necessari. Ogni pezzo di per sé ha posto delle sfide". I risultati della microscopia di Lorentz sono stati inseriti in un algoritmo matematico, personalizzato da Streubel, per identificare i tipi di muro di dominio e la chiralità. Un'altra sfida consisteva nell'ottimizzare la crescita del campione per ottenere gli effetti chirali utilizzando una tecnica convenzionale nota come sputtering.
L'algoritmo, e le tecniche sperimentali, può ora essere applicato a un intero set di materiali campione in studi futuri, e "dovrebbe essere generalizzabile a materiali diversi per scopi diversi, " Egli ha detto.
Il team di ricerca spera anche che il loro lavoro possa aiutare a guidare la ricerca e lo sviluppo relativi all'orbitronica di rotazione, dove le trame di spin "topologicamente protette" (stabili e resilienti) chiamate skyrmion potrebbero potenzialmente sostituire la propagazione di minuscole pareti di dominio in un materiale e portare a dispositivi di elaborazione più piccoli e veloci con un consumo energetico inferiore rispetto ai dispositivi convenzionali.
