2019-01-05 00:54:01
可控快速微小磁位

可控快速微小磁位.jpg

对于许多现代技术应用,例如用于磁共振成像的超导线,工程师希望尽可能地去除电阻及其伴随的热量产生。

然而,事实证明,来自电阻的一点热量产生是用于自旋电子应用(例如固态计算机存储器)的金属薄膜中的理想特性。类似地,虽然缺陷在材料科学中通常是不合需要的,但它们可用于控制称为skyrmions的磁性准粒子的产生。

本月在自然纳米技术和先进材料期刊上发表的单独论文中,麻省理工学院教授杰弗里S.D.加利福尼亚州,德国,瑞士和韩国的海滩及其同事表示,他们可以在室温下用特殊配方的层状材料生成稳定且快速移动的skyrmions,创造了世界纪录的大小和速度。每篇论文都刊登在各自期刊的封面上。

对于发表在Advanced Materials上的研究,研究人员创造了一种电线,它堆叠了15个由铂制成的特殊金属合金的重复层,铂是一种重金属,钴 - 铁 - 硼,它是一种磁性材料,镁 - 氧。在这些层状材料中,铂金属层和钴 - 铁 - 硼之间的界面产生了一种环境,其中可以通过施加垂直于膜的外部磁场和沿着线的长度行进的电流脉冲来形成图案。

值得注意的是,在20毫特斯拉场下,磁场强度的测量,线在室温下形成skyrmions。在高于349开尔文(168华氏度)的温度下,没有外部磁场形成skyrmions,这是由材料升温引起的效果,即使在材料冷却回室温后,skyrmions仍然保持稳定。 Beach说,此前,仅在低温和大磁场下才能看到这样的结果。

可预测的结构

“在开发了许多理论工具之后,我们现在不仅可以预测内部的skyrmion结构和尺寸,而且我们也可以做一个逆向工程问题,我们可以说,例如,我们希望有一个这样大小的skyrmion,并且我们将能够生成多层或材料参数,这些参数会导致这种飙升的大小,“Ivan Lemesh说道,”高级材料论文的第一作者,材料科学与工程专业的研究生麻省理工学院。共同作者包括资深作家海滩和其他17人。

电子的一个基本特征是它们的旋转,它指向上或下。闪电是一组圆形电子,其自旋与周围电子的方向相反,并且闪电保持顺时针或逆时针方向。

“然而,除此之外,我们还发现磁性多层膜中的skyrmions发展出一种复杂的厚度依赖性扭曲性质,”Lemesh在11月于波士顿举行的材料研究学会(MRS)秋季会议上发表演讲时说。 30.这些研究结果发表在9月的物理评论B的另一项理论研究中。

目前的研究表明,虽然这种扭曲的skyrmions结构对计算skyrmion的平均大小的能力影响很小,但它显着影响了他们当前诱导的行为。

基本限制

对于Nature Nanotechnology的论文,研究人员研究了一种不同的磁性材料,用铂钴合金磁层和氧化钽层压铂。在这种材料中,研究人员表明它们可以产生小到10纳米的光滑,并确定它们可以在材料中快速移动。

“我们在本文中发现的是,铁磁体对准粒子的大小有基本的限制,你可以用它来驱动它们的速度,”第一作者,材料科学与工程研究生Lucas Caretta说。

在诸如钴 - 铁 - 硼的铁磁体中,相邻的自旋彼此平行排列并产生强烈的定向磁矩。为了克服铁磁体的基本限制,研究人员转向使用钆 - 钴,这是一种亚铁基,其中相邻的自旋交替上下移动,因此它们可以相互抵消并导致整体零磁矩。

“人们可以设计一个ferrimagnet,使净磁化为零,允许超小旋转纹理,或调整它使净角动量为零,从而实现超快旋转纹理。这些属性可以通过材料成分或温度设计,”Caretta解释说。 。

2017年,Beach集团的研究人员及其合作者通过实验证明,他们可以通过在磁性层中引入特定类型的缺陷,在特定位置随意创建这些准粒子。

“你可以通过使用不同的局部技术来改变材料的属性,例如离子轰击,并通过这样做来改变它的磁性,”Lemesh说,“然后如果你向电线注入电流,那么就可以了将在那个地方出生。“

添加Caretta:“它最初是在材料中发现天然缺陷,然后通过导线的几何形状变成了工程缺陷。”

他们使用这种方法在新的Nature Nanotechnology论文中创造了一些标记。

研究人员使用X射线全息术在德国的同步加速器中心在室温下制作钴 - 钆混合物中的skyrmions图像。海滩实验室的博士后FelixBüttner是这种X射线全息技术的开发者之一。 Caretta说:“这是唯一能够制作如此高分辨率图像的技术之一,你可以制作出如此大小的图像。”

这些skyrmions小到10纳米,这是目前世界室温skyrmions的记录。研究人员展示了当前驱动的畴壁运动速度为每秒1.3公里,使用的机制也可用于移动skyrmions,这也创造了新的世界纪录。

除了同步加速器工作外,所有研究都在麻省理工学院完成。 Caretta说:“我们在麻省理工学院种植材料,进行制作和表征材料。”

磁力建模

这些skyrmions是这些材料中电子自旋的一种旋转配置,而畴壁是另一种。畴壁是相反自旋取向的畴之间的边界。在自旋电子学领域,这些配置被称为孤子或自旋纹理。由于skyrmions是材料的基本属性,其形成和运动能量的数学表征涉及一组复杂的方程,包括它们的圆形尺寸,自旋角动量,轨道角动量,电子电荷,磁场强度,层厚度和几种特殊物理捕获相邻自旋和相邻层之间相互作用能量的术语,例如交换相互作用。

这些相互作用中的一种,称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),对于形成图像具有特殊意义,并且由铂层中的电子与磁性层之间的相互作用产生。 Lemesh说,在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用中,旋转彼此垂直对齐,从而稳定了skyrmion。 DMI相互作用允许这些skyrmions是拓扑的,产生令人着迷的物理现象,使它们稳定,并允许它们用电流移动。

Caretta说:“铂本身就是提供所谓的自旋电流,这是驱动旋转纹理运动的原因。” “自旋电流为与其相邻的铁磁铁或铁磁铁的磁化提供了扭矩,这种扭矩最终导致自旋纹理的运动。我们基本上使用简单的材料来实现接口处的复杂现象。”

在这两篇论文中,研究人员进行了微磁和原子自旋计算的混合,以确定形成skyrmions和移动它们所需的能量。

“事实证明,通过改变磁性层的分数,你可以改变整个系统的平均磁性,所以现在我们不需要使用不同的材料来产生其他属性,”Lemesh说。 “你可以用不同厚度的间隔层稀释磁性层,你将获得不同的磁性,这将为你提供无限的制造系统的机会。”

精确控制

“精确控制磁性skyrmions是该领域的核心话题,”新罕布什尔大学物理学助理教授Jiadong Zang说,他没有参与这项研究,涉及高级材料论文。 “这项工作提出了一种通过电流脉冲产生零场飙升的新方法。这绝对是在纳秒方案中朝着skyrmion操纵迈出的坚实一步。”

英国利兹大学凝聚态物理教授克里斯托弗·马罗斯(Christopher Marrows)在评论自然纳米技术报告时说:“事实上,这些物质很小但可以在室温下稳定,这一点非常重要。”

Marrows也没有参与这项研究,他指出,海滩小组已经在今年早些时候的科学报告文件中预测了室温的升值,并表示新的结果是最高质量的工作。 “但是他们做出了预测,现实生活并不总能达到理论预期,所以他们应该得到这一突破的全部功劳,”Marrows说。

Zang在评论Nature Nanotechnology论文时补充说:“skyrmion研究的瓶颈是达到小于20纳米的尺寸[最先进的存储器单元的尺寸],并以超过一公里的速度驱动其运动第二,这项开创性工作已经解决了这两项挑战。

“一项关键的创新是使用ferrimagnet,而不是常用的铁磁体来托管skyrmions,”Zang说。 “这项工作极大地刺激了基于skyrmion的存储器和逻辑设备的设计。这绝对是skyrmion领域的明星论文。”

赛马场系统

在这些skyrmions上构建的固态设备有朝一日可以取代目前的磁存储硬盘。磁性skyrmions流可以作为计算机应用程序的位。 “在这些材料中,我们可以很容易地模拟磁道,”Beach在MRS的一次演讲中说道。

这些新发现可应用于由Stuart Parkin在IBM开发的赛道存储设备。设计用于赛道设备的这些材料的关键是在材料中设计有意识的缺陷,其中可以形成skyrmions,因为在材料中存在缺陷的地方形成了skyrmions。

“人们可以通过在这种系统中加入缺口来设计工作,”Beach说,他也是麻省理工学院材料研究实验室(MRL)的联合主任。注入材料中的电流脉冲在一个凹口处形成突起。 “可以使用相同的电流脉冲进行写入和删除,”他说。 Beach说,这些skyrmions形成速度非常快,不到十亿分之一秒。

Caretta说:“为了能够拥有一个实用的操作逻辑或记忆赛道设备,你必须写出这一点,这就是我们在创建磁性准粒子时所说的,你必须确保写入的位非常很小,你必须以非常快的速度翻译这些材料,“Caretta说。

利兹教授Marrows补充说:“基于skyrmion的自旋电子学的应用将受益,尽管再次确定什么是各种提案中的获胜者还有点早,包括存储器,逻辑器件,振荡器和神经形态器件”

剩下的挑战是阅读这些skyrmion位的最佳方式。 Lemesh说,海滩小组的工作正在这个领域继续进行,并指出当前的挑战是发现一种方法来电子检测这些skyrmions,以便在计算机或电话中使用它们。

“是的,所以你不必将手机带到同步加速器上读一下,”Caretta说。 “由于在ferrimagnets和类似系统上所做的一些工作被称为反铁磁体,我认为大部分领域实际上将开始转向这些类型的材料,因为它们具有巨大的承诺。”

猜您喜欢的其它内容