Immagini MTXM di componenti magnetici nel piano (a) e fuori dal piano (b) in una serie di nanodischi di permalloy. La rotazione magnetica nel piano è indicata dalla freccia bianca (a). La polarizzazione del nucleo è contrassegnata da punti neri (su) e bianchi (giù). L'immagine (c) mostra la configurazione completa del vortice di ciascun nanodisco nell'array. (Immagini per gentile concessione di Im e Fischer)
(Phys.org) -- Il fenomeno nei nanodischi ferromagnetici di vortici magnetici - uragani di magnetismo di soli pochi atomi di diametro - ha generato un intenso interesse nella comunità high-tech a causa della potenziale applicazione di questi vortici nella memoria ad accesso casuale non volatile (RAM) sistemi di archiviazione dati. Nuove scoperte degli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti indicano che la strada verso il vortice magnetico RAM potrebbe essere più difficile da percorrere di quanto si supponesse in precedenza, ma potrebbero esserci anche ricompense inaspettate.
In un esperimento reso possibile dagli esclusivi fasci di raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab, un team di ricercatori guidati da Peter Fischer e Mi-Young Im del Center for X-Ray Optics (CXRO), in collaborazione con scienziati in Giappone, scoperto che contrariamente a quanto si credeva in precedenza, la formazione di vortici magnetici nei nanodischi ferromagnetici è un fenomeno asimmetrico. È possibile che questa rottura della simmetria porti a guasti in un dispositivo di archiviazione dati durante il processo di inizializzazione.
“La nostra dimostrazione sperimentale che lo stato di vortice in un singolo nanodisco magnetico subisce la rottura della simmetria durante la formazione significa che per scopi di memorizzazione dei dati, probabilmente sarebbe necessario un lungo processo di verifica per correggere gli errori, "Io dice. “Dal lato positivo, un comportamento non simmetrico crea un effetto di polarizzazione che potrebbe essere applicato a un sensore o a un dispositivo logico”.
“Il nostro studio è anche un bell'esempio di scienza su mesoscala, che porta la nanoscienza dell'ultimo decennio al livello successivo, "dice Fischer. "I fenomeni di mesoscala comprendono complessità e funzionalità su varie scale di lunghezza".
Im e Fischer descrivono questo studio in un articolo pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Il documento è intitolato "Rottura della simmetria nella formazione di stati di vortice magnetico in un nanodisco di permalloy". Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani e Teruo Ono.
Mi-Young Im e Peter Fischer del Center for X-Ray Optics del Berkeley Lab hanno condotto uno studio presso l'Advanced Light Source in cui è stato scoperto che la formazione di vortici magnetici nei nanodischi ferromagnetici è un fenomeno asimmetrico. (Foto di Roy Kaltschmidt)
Gli stati di vortice magnetico sono generati nei nanodischi ferromagnetici perché lo spin degli elettroni, che dà luogo a momenti magnetici, deve seguire la forma del disco per garantire la chiusura delle linee di flusso magnetico. Ciò provoca l'arricciamento delle linee di flusso di magnetizzazione nel piano. Al centro di queste linee di flusso arricciate c'è un nucleo aghiforme, un "occhio dell'uragano" che punta in alto o in basso rispetto al piano della superficie del nanodisco.
“La magnetizzazione del nanodisco ferromagnetico ha quindi due componenti, la polarità su o giù del nucleo e la chiralità (rotazione) della magnetizzazione nel piano, che può essere sia in senso orario che antiorario, "Io dice. "È stato proposto che questi quattro orientamenti indipendenti possano essere utilizzati per archiviare dati binari in nuovi dispositivi di archiviazione non volatili".
"L'ipotesi è stata che gli stati di vortice magnetico avrebbero esibito una simmetria perfetta richiesta per i dispositivi di memorizzazione dei dati basati su vortice perché gli stati energetici dei quattro orientamenti erano equivalenti, che significa quattro valori logici per unità, "dice Fischer. “Tuttavia, mostriamo che se si analizza un insieme sufficientemente ampio di nanodischi, Questo non è il caso. I nostri risultati dimostrano come il comportamento su mesoscala può essere significativamente diverso dal comportamento su nanoscala».
La chiave per la scoperta della rottura della simmetria del vortice magnetico è stata la capacità del team di ricerca di osservare simultaneamente sia la chiralità che la polarità in una vasta gamma di nanodischi. Studi precedenti si sono concentrati sulla chiralità o sulla polarità in un singolo disco. Questa osservazione simultanea è stata eseguita utilizzando il microscopio a raggi X XM-1 alla linea di luce ALS 6.1.2. XM-1 fornisce microscopia a raggi X morbidi a trasmissione magnetica a pieno campo con risoluzione spaziale fino a 20 nanometri, grazie in parte all'ottica a raggi X di alta qualità fornita dai ricercatori CXRO.
“La microscopia a raggi X molli a trasmissione magnetica offre immagini ad alta risoluzione spaziale e temporale con contrasto magnetico specifico dell'elemento, rendendolo un metodo ideale per studiare la dinamica di spin su scala nanometrica, come la dinamica del nucleo del vortice, "Io dice. "XM-1 offre un ampio campo visivo e quindi tempi di esposizione molto brevi per disco."
Io sono, Fischer e i loro colleghi hanno modellato nanodischi in permalloy, una lega di nichel e ferro le cui proprietà magnetiche sono state completamente caratterizzate. Usando la litografia a fascio di elettroni hanno modellato grandi schiere di dischi, ciascuno con un raggio di 500 nanometri e uno spessore di 100 nanometri. Gli array sono stati depositati su membrane di nitruro di silicio per consentire una trasmissione sufficiente di raggi X molli ed esposti in XM-1 per alcuni secondi. Nella loro carta, gli autori concludono che la rottura della simmetria osservata deriva molto probabilmente da una combinazione di fattori intrinseci ed estrinseci. Si ritiene che il fattore intrinseco sia un accoppiamento antisimmetrico tra gli spin di due elettroni chiamato interazione Dzyaloshinskii-Moriya. I fattori estrinseci includono i difetti lungo i bordi dei nanodischi e le superfici ruvide dei nanodischi.
“La nostra scoperta è certamente un nuovo fenomeno fisico nei vortici magnetici, che finora non è stato esplorato, "dice Im. "Il significato statistico del nostro lavoro sperimentale e della nostra rigorosa simulazione micromagnetica 3D per il processo di generazione dello stato di vortice fornisce nuove importanti informazioni per la fisica meno conosciuta nel processo di magnetizzazione dei nanodischi".
“Abbiamo anche dimostrato che il comportamento deterministico e la funzionalità su mesoscala non possono sempre essere estrapolati nemmeno da una comprensione completa del comportamento su nanoscala, "dice Fischer. “In altre parole, comprendere un singolo mattoncino LEGO potrebbe non essere sufficiente per costruire una struttura grande e complessa".
Im è l'autore corrispondente del documento Nature Communications. I coautori Yamada e Ono sono con l'Università di Kyoto, i coautori Sato e Nakatani sono con l'Università di Elettro-Comunicazioni a Chofu, e il coautore Kasai è con il Giappone e l'Istituto nazionale per la scienza dei materiali.
