Un team guidato dalla Rutgers University e comprendente scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) ha dimostrato una tecnica di imaging a raggi X che potrebbe consentire lo sviluppo di piccoli, Più veloce, ed elettronica più robusta.

Descritto in un articolo pubblicato il 27 novembre in Comunicazioni sulla natura , la tecnica affronta un limite primario nel campo di ricerca emergente della "spintronica, " o spin elettronica, utilizzando materiali magnetici noti come antiferromagneti (AFM):la capacità di visualizzare domini magnetici antifase.

Elettroni in atomi magnetici punto, o "giro, " in una direzione verso l'alto o verso il basso. In tutti i materiali magnetici, ci sono regioni distinte - domini magnetici - in cui gli spin degli elettroni sono disposti in modo regolare. Diverse configurazioni sono possibili a seconda del tipo di magnetismo. Negli AFM, gli spin sugli atomi adiacenti puntano in direzioni opposte (ad es. su-giù-su-giù). Mentre gli spin all'interno di ciascun dominio sono ordinati uniformemente, quelli all'interno di domini adiacenti sono allineati in modo diverso. Per esempio, negli AFM, gli spin in un dominio possono essere tutti disposti secondo uno schema up-down, durante il down-up in un dominio vicino. L'imaging di questi domini "antifase" e delle transizioni (muri) che esistono tra di essi è il primo passo per essere in grado di manipolare lo stato magnetico degli AFM per sviluppare dispositivi spintronici.

"In definitiva, l'obiettivo è controllare il numero, forma, dimensione, e posizione dei domini, " ha detto il co-autore Claudio Mazzoli, scienziato capo della linea di luce Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) del Brookhaven Lab, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, dove è stata dimostrata la tecnica. "Generalmente, le proprietà elettroniche delle pareti del dominio possono essere diverse da quelle della maggior parte del materiale, e possiamo approfittare di questo fatto. Trovare un modo per controllare i domini e le loro pareti da perturbazioni esterne è la chiave per progettare dispositivi in ​​grado di archiviare ed elaborare le informazioni in modo efficiente".

Dalla carica allo spin

L'elettronica convenzionale come i chip dei computer si basa sul trasporto di vettori di carica elettrica, o elettroni, operare. Mentre queste accuse si muovono, dissipano energia sotto forma di calore, limitando l'efficienza del dispositivo.

La spintronica sfrutta un'altra proprietà intrinseca degli elettroni:lo spin. Poiché gli spin degli elettroni possono essere capovolti da una polarità magnetica a un'altra molto più velocemente di quanto la carica possa essere spostata, i dispositivi basati sulla spintronica possono essere intrinsecamente più veloci dell'elettronica di oggi.

Ad oggi, la maggior parte dei dispositivi spintronici sono basati su ferromagneti (FM), il tipo di magneti con cui abbiamo più familiarità, come si vede sui frigoriferi e nei dischi rigidi dei computer. In risposta a un campo magnetico esterno, i domini in FM si allineano in modo parallelo secondo la direzione del campo.

Però, Gli AFM offrono diversi vantaggi rispetto agli FM. Per esempio, perché gli spin negli AFM si annullano, questi materiali non hanno magnetismo su larga scala. Così, il loro orientamento di rotazione può essere capovolto ancora più velocemente, e non generano campi magnetici vaganti che possono interferire con altre fonti di magnetizzazione. Inoltre, sono molto più resistenti ai campi magnetici esterni.

"Gli antiferromagneti sono intrinsecamente meglio protetti contro la perdita di informazioni attraverso le interazioni con l'ambiente, anche tra domini, " ha spiegato l'autore senior e professore di fisica di Rutgers Valery Kiryukhin. "Così, i dispositivi basati su materiali AFM possono essere ridotti, con informazioni raggruppate in modo più ravvicinato per ottenere una maggiore capacità di archiviazione."

Ma le stesse caratteristiche che rendono gli AFM attraenti per la spintronica rendono anche questi materiali difficili da controllare.

"Per controllarli, dobbiamo prima rispondere a domande molto basilari, come il modo in cui i domini sono disposti nello spazio e il modo in cui essi e le loro pareti si muovono in risposta a perturbazioni esterne come i cambiamenti di temperatura, campi elettrici, e impulsi luminosi, ", ha detto Mazzoli.

Riflessi antiferromagnetici

In questo studio, gli scienziati hanno diretto un raggio coerente di raggi X dalla linea di luce CSX attraverso un foro stenopeico circolare per illuminare l'ordine magnetico di un campione AFM a base di ferro sintetizzato dai membri del Dipartimento di Fisica e Astronomia di Rutgers, tra cui Kiryukhin e il primo autore e associato postdottorato Min Gyu Kim. Impostano i raggi X della linea di luce su un'energia che risuona con (vicino a) l'energia degli spin nel materiale. Un rilevatore ha catturato l'intensità della luce riflessa dal campione.

"Puoi vedere i graffi sullo schermo del tuo cellulare quando la luce si riflette da quella superficie, " ha detto Mazzoli. "Abbiamo applicato lo stesso tipo di principio qui, ma abbiamo fatto affidamento su riflessioni magnetiche invece di riflessioni superficiali. I riflessi magnetici appaiono solo all'interno di un limite molto stretto di angoli e condizioni di diffusione".

"Poiché il raggio in arrivo è coerente:tutti i fotoni, o particelle leggere, ondeggiare insieme in modo organizzato:siamo stati in grado di vedere direttamente come due domini sono diversi e come interferiscono l'uno con l'altro, " ha detto il coautore Mark Dean, un fisico nel dipartimento di fisica della materia condensata e scienza dei materiali (CMPMS) del Brookhaven Lab. "L'interferenza, come rivelato nei pattern del rivelatore dove c'è una riduzione dell'intensità del segnale, ci ha detto dove sono i confini del dominio."

Sebbene questa tecnica di diffrazione magnetica sia ben nota, questo studio rappresenta la prima volta che è stato applicato con successo all'imaging del dominio antifase negli AFM.

"Questa capacità completamente nuova di visualizzare i confini del dominio antiferromagnetico è possibile solo grazie alla superba coerenza della linea di luce, " ha detto Ian Robinson, Leader del gruppo di diffusione dei raggi X e fisico senior nel Dipartimento CMPMS. "I contributi di scattering da due domini antifase sono esattamente gli stessi in grandezza. Differiscono solo nella loro fase, che viene captato con raggi X coerenti per interferenza sul rivelatore."

In frazioni di secondo, viene generato un quadro completo delle aree estese (centinaia di micron per centinaia di micron) del campione, senza dover spostare alcuna strumentazione. In altre tecniche di imaging magnetico, una sonda deve essere scansionata sulla superficie in più punti, o sono necessari calcoli per proiettare i modelli di rivelatori risultanti su immagini dello spazio reale che i nostri occhi possono capire.

"Stiamo essenzialmente scattando una foto, " ha detto Mazzoli. "La lettura di tutti i pixel nel rilevatore forma un'immagine a tutto campo in un unico scatto. Le immagini che coprono aree di dimensioni millimetriche ancora più grandi possono essere ottenute unendo più immagini".

La velocità della tecnica lo rende ideale per esperimenti dinamici. Qui, gli scienziati hanno studiato come i domini magnetici sono cambiati in tempo reale mentre riscaldavano il campione per "sciogliere" (rimuovere) il suo ordine antiferromagnetico e lo raffreddavano per riportare l'ordine nella forma della disposizione dei domini. Hanno scoperto che alcuni dei domini erano liberi di muoversi ad ogni ciclo termico, mentre altri no.

Andando avanti, il team prevede di testare la tecnica utilizzando altri AFM e diverse classi di materiali. Il team prevede inoltre di migliorare l'attuale risoluzione della tecnica al di sotto dei 100 nanometri riconfigurando la configurazione sperimentale. Questa migliore risoluzione consentirebbe loro di determinare lo spessore della parete del dominio.

"Per progettare un dispositivo spintronico, è necessario conoscere la configurazione magnetica dei materiali, " ha detto Dean. "La nostra speranza è che alla fine saremo in grado di utilizzare questa tecnica per vedere come funziona il magnetismo in condizioni vicine al dispositivo".