Οι ερευνητές βρήκαν έναν νέο τρόπο χειρισμού του μαγνητισμού.
Σε μια πρωτοποριακή προσπάθεια ελέγχου, μέτρησης και κατανόησης του μαγνητισμού σε ατομικό επίπεδο, οι ερευνητές που εργάζονται στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) ανακάλυψαν μια νέα μέθοδο για τον χειρισμό των ιδιοτήτων νανοκλίμακας μαγνητικών υλικών.
Η δυνατότητα ελέγχου αυτών των ιδιοτήτων έχει πιθανές εφαρμογές στη δημιουργία και τη βελτίωση της μαγνητικής μνήμης στις καταναλωτικές ηλεκτρονικές συσκευές και στην ανάπτυξη ενός ευαίσθητου ανιχνευτή μαγνητικών νανοσωματιδίων.
Η ανακάλυψη επικεντρώνεται σε μια κβαντομηχανική ιδιότητα γνωστή ως περιστροφή, η οποία προσδίδει ηλεκτρόνια με ένα μικροσκοπικό μαγνητικό πεδίο. Η περιστροφή ηλεκτρονίων μπορεί να δείχνει σε δύο κατευθύνσεις, “πάνω” ή “κάτω”, όπως και το συνοδευτικό μαγνητικό πεδίο. Με την πάροδο των ετών, οι επιστήμονες έχουν γίνει ειδικευμένοι στην αναστροφή της κατεύθυνσης της περιστροφής, και επομένως, της κατεύθυνσης του μαγνητικού πεδίου . Αλλά το νέο εύρημα έχει μια νέα συστροφή.
Σε ορισμένα υλικά, όπως το κοβάλτιο , οι περιστροφές των γειτονικών ηλεκτρονίων αλληλεπιδρούν, προκαλώντας τους σε όλα τα σημεία προς την ίδια κατεύθυνση. Εάν κάποιες από τις περιστροφές αναγκάζονται μακριά από αυτή την κατεύθυνση, τραβούν μερικές από τις κοντινές περιστροφές. Αυτό αναγκάζει τις περιστροφές να υποβληθούν σε σταδιακή περιστροφή προς τα δεξιά ή αριστερόστροφα. Σε ορισμένα υλικά, οι περιστροφές προτιμούν να στρίβουν μόνο σε μία κατεύθυνση.
Μια ομάδα με επικεφαλής τον ερευνητή NIST Samuel Stavis και Andrew Balk, τώρα στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, βρήκαν έναν τρόπο να ελέγξουν την κατεύθυνση αυτής της συστροφής σε μια ταινία κοβαλτίου μόλις τριών πυκνών ατομικών στρωμάτων. Επιπλέον, θα μπορούσαν να καθορίσουν την κατεύθυνση αυτή σε διαφορετικές θέσεις.
Η ομάδα πέτυχε αυτή τη νέα ικανότητα ελέγχοντας ένα φαινόμενο που είναι γνωστό ως αλληλεπίδραση Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), το οποίο επιβάλλει μια προτιμώμενη κατεύθυνση περιστροφής στις περιστροφές. Το DMI τυπικά συμβαίνει στο όριο μεταξύ μιας λεπτής μεμβράνης από ένα μαγνητικό μέταλλο και ένα μη μαγνητικό μεταλλικό στρώμα. Οι περιστροφές ηλεκτρονίων στο μαγνητικό φιλμ αλληλεπιδρούν με τα άτομα στο μη μαγνητικό φιλμ, δημιουργώντας μια προτιμησιακή συστροφή.
Ο έλεγχος του DMI μπορεί να ενισχύσει τη μαγνητική μνήμη, η οποία χρησιμοποιεί τον προσανατολισμό της περιστροφής για την αποθήκευση πληροφοριών. Μια συσκευή μνήμης χρειάζεται δύο διαφορετικές καταστάσεις, που αντιπροσωπεύουν είτε ένα είτε μηδέν – στην περίπτωση ενός μαγνητικού σκληρού δίσκου, ηλεκτρόνια με περιστροφή προς τα πάνω ή προς τα κάτω.
Για να γράψουν δεδομένα, οι σχεδιαστές χρειάζονται έναν προβλέψιμο τρόπο για να γυρίσουν από το ένα περιστροφικό προσανατολισμό στο άλλο. Ο έλεγχος της κατεύθυνσης και της ποσότητας συστροφής μπορεί να επιτρέψει την πιο αποτελεσματική και αξιόπιστη περιστροφή του περιστροφέα από ό, τι αν η συστροφή ήταν τυχαία, σημειώνει ο Balk.
Ο έλεγχος του DMI παίζει επίσης έναν ρόλο-κλειδί σε έναν άλλο τύπο μαγνητικής μνήμης. Εάν το DMI είναι αρκετά ισχυρό, θα περιστρέψει τις γειτονικές περιστροφές σε ένα κυκλικό μοτίβο στροβίλων και θα μπορούσε ενδεχομένως να δημιουργήσει εξωτικούς μαγνητικούς κόμβους που ονομάζονται skyrmions.
Αυτοί οι σωματιδιακοί κόμβοι μπορούν να αποθηκεύουν πληροφορίες και η ύπαρξή τους ή η απουσία τους σε μαγνητική λεπτή ταινία θα μπορούσε να δράσει πολύ όπως αυτά και τα μηδενικά ηλεκτρονικά κυκλώματα λογικής. Με τη ρύθμιση του DMI, οι ερευνητές μπορούν να δημιουργήσουν skymorions, τα οποία θα απαιτούσαν λιγότερη ενέργεια για να λειτουργήσουν από άλλους τύπους μαγνητικής μνήμης και θα πρέπει να είναι σε θέση να καθοδηγήσουν την κίνηση τους μέσω μαγνητικού υλικού.
Οι ερευνητές περιγράφουν το έργο τους στο Physical Review Letters.
Στο πείραμά τους, οι ερευνητές έβαλαν ένα λεπτό φιλμ κοβαλτίου ανάμεσα σε δύο στρώματα πλατίνας, ένα μη μαγνητικό μέταλλο. Στη συνέχεια βομβάρδισαν την τριάδα με ιόντα αργού, τα οποία έριχναν την κορυφαία μεμβράνη λευκοχρύσου και άκρησαν το ανώτερο όριο μεταξύ πλατίνας και κοβαλτίου, ανάλογα με την ενέργεια των ιόντων.
Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι όταν χρησιμοποιείται ιόντα αργού με υψηλότερη ενέργεια, η DMI ήταν αρνητική, συστροφή των περιστροφών του κοβαλτίου αριστερόστροφα, και όταν χρησιμοποιούνται ιόντα αργού με χαμηλότερη ενέργεια, η DMI ήταν θετική. Όταν εκτίθεται σε ιόντα αργού με ενδιάμεση ενέργεια, το DMI είναι μηδέν, καθιστώντας εξίσου πιθανό ότι οι περιστροφές θα περιστρέφονταν δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα.
Οι ερευνητές πραγματοποίησαν την ανακάλυψή τους ενώ συντονίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες μιας μεμβράνης κοβαλτίου για να αναπτύξουν έναν αισθητήρα για μαγνητικά νανοσωματίδια. Με αυτόν τον τρόπο, η ομάδα συνειδητοποίησε ότι βρήκε έναν νέο τρόπο χειρισμού του DMI.
Επειδή τα ιόντα αργού με διαφορετικές ενέργειες μπορούσαν να στοχεύουν σε συγκεκριμένες περιοχές εντός του κοβαλτίου, οι ερευνητές ήταν σε θέση να κατασκευάζουν φιλμ κοβαλτίου των οποίων η DMI διέφερε σε όλη την επιφάνεια του υλικού.
«Έξι δεκαετίες μετά την ανακάλυψη της αλληλεπίδρασης αυτής με την Djyaloshinskii και τον Moriya, η νέα μας διαδικασία για τον έλεγχο της χωρητικότητας, ανεξάρτητα από άλλες μαγνητικές ιδιότητες, θα επιτρέψει νέες επιστημονικές μελέτες του DMI και θα επιτρέψει την κατασκευή νέων νανομαγνητικών συσκευών», δήλωσε ο Balk.
Τέλος, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ο έλεγχος του DMI έκανε πράγματι την ταινία πιο ευαίσθητη στα μαγνητικά πεδία από νανοσωματίδια. Σε μεταγενέστερη ημερομηνία, η ομάδα σχεδιάζει να δημοσιεύσει εργασίες σχετικά με την εφαρμογή της ταινίας ως αισθητήρα νανοσωματιδίων για τους χρήστες του Κέντρου Επιστήμης και Τεχνολογίας Νανοκλίμακας NIST, όπου πραγματοποιήθηκε η εργασία.
