Figura 1:Schema delle unità strutturali di una rete a giroscopio singolo, iniziando con una coppia di vertici che condividono uno dei loro tre puntoni e sono sfalsati da un angolo di "torsione". L'immagine al centro mostra come le coppie di vertici costituiscono una cella unitaria giroide, e l'immagine a destra mostra come le celle unitarie si assemblano nella rete giroide. Credito:ⒸJustin Llandro e David Love e András Kovács
Un team multinazionale di ricercatori della Tohoku University e istituzioni nel Regno Unito, Germania e Svizzera hanno rivelato gli stati magnetici dei giroidi su scala nanometrica, Nanostrutture simili a reti chirali 3D. I risultati aggiungono un nuovo sistema candidato per la ricerca sull'elaborazione delle informazioni non convenzionali e sui fenomeni emergenti rilevanti per la spintronica.
Array di nanostrutture interagenti offrono la capacità di realizzare proprietà materiali senza precedenti, poiché le interazioni possono dare origine a nuovi, fenomeni “emergenti”. Nel magnetismo, tali fenomeni emergenti sono stati finora dimostrati solo in 2-D, in spin ice artificiali e cristalli magnonici. Però, progressi verso la realizzazione di "metamateriali" magnetici, " che potrebbe costituire la base di dispositivi spintronici avanzati visualizzando effetti emergenti in 3-D, è stato ostacolato da due ostacoli. Il primo è la necessità di fabbricare blocchi 3D complessi a dimensioni inferiori a 100 nm (paragonabili alle scale di lunghezza magnetiche intrinseche) e il secondo è la sfida di visualizzare le loro configurazioni magnetiche.
Il team di ricerca ha quindi deciso di studiare giroidi magnetici su nanoscala, Reti 3D composte da 3 vertici collegati definiti da triadi di puntoni curvi a forma di nanofili (Figura 1). I giroidi hanno suscitato molto interesse, poiché nonostante la loro complessità possono autoassemblarsi da una combinazione accuratamente formulata di polimeri, che può essere utilizzato come stampo o modello 3D per formare nanostrutture autoportanti (Figura 2). Mentre i montanti si collegano per formare spirali, i giroidi hanno una "mano" o chiralità, e la loro forma rende i giroidi magnetici sistemi ideali per testare le previsioni di nuove proprietà magnetiche che emergono dalla curvatura. Le misurazioni delle proprietà ottiche dei giroidi hanno persino mostrato che i giroidi possono avere proprietà topologiche, che insieme agli effetti chirali sono attualmente oggetto di intenso studio per sviluppare nuove classi di dispositivi spintronici. Però, gli stati magnetici che potrebbero esistere nei giroidi non erano ancora stati stabiliti, che porta al presente studio.
Figura 2:Schema del processo di produzione delle nanostrutture giroidi Ni-Fe mediante autoassemblaggio. Credito:ⒸJustin Llandro e David Love e András Kovács
Figura 3:(a sinistra) modelli di campo magnetico vagante dentro e intorno ai montanti di una nanostruttura giroide Ni-Fe ripresa dall'olografia elettronica, che contiene sia regioni a giroide singolo che a doppio giroide. Il contorno della nanostruttura è mostrato in rosso. (Destra) Simulazione micromagnetica della distribuzione della magnetizzazione della nanoparticella giroide Ni-Fe, dove la ruota dei colori mostra la direzione della magnetizzazione. Le frecce evidenziano la direzione media per una serie di montanti giroidi. Credito:ⒸJustin Llandro e David Love e András Kovács
I ricercatori hanno prodotto Ni 75 Fe 25 nanostrutture a giroide singolo e doppio giroide (formate da una coppia speculare di giroidi singoli) con puntoni di diametro 11 nm e una cella unitaria da 42 nm, tramite modellazione in copolimero a blocchi ed elettrodeposizione. Queste dimensioni sono paragonabili alle larghezze delle pareti del dominio e alle lunghezze d'onda delle onde di spin in Ni-Fe. Hanno quindi ripreso le nanoparticelle giroide con l'olografia elettronica fuori asse, che potrebbe mappare la magnetizzazione e i modelli di campo magnetico vagante all'interno e intorno ai puntoni dei giroidi con una risoluzione spaziale nanometrica. L'analisi dei modelli con l'ausilio di simulazioni micromagnetiche ad elementi finiti ha rivelato uno stato magnetico molto intricato che è complessivamente ferromagnetico ma senza una configurazione di equilibrio unica (Figura 3), implicando che un giroide magnetico può adottare un gran numero di stati stabili.
"Questi risultati stabiliscono che i giroidi magnetici siano candidati di interesse per applicazioni come il calcolo del serbatoio e la logica delle onde di spin, " ha detto l'autore principale Justin Llandro." La ricerca compie un entusiasmante primo passo verso metamateriali magnetici su nanoscala 3-D che possono essere utilizzati per scoprire nuovi effetti emergenti e far progredire la ricerca spintronica sia fondamentale che applicata".
