Új módszert találtak a mágnesesség irányítására

A Nemzeti Szabvány és Technológiai Intézet tudósai egy új módszert fedeztek fel a nanonoméretű mágneses anyagok tulajdonságainak változtatására, miközben éppen a mágnesességet vizsgálták atomi szinten.

Az anyagok tulajdonságainak befolyásolását felhasználhatják majd a fogyasztási cikkekben használt mágneses memóriák javítására és új mágneses nanorészecskéket kimutató érzékelők készítésére.

A felfedezés a spin nevű kvantum mechanikai jellemző körül forog, ami egy apró mágneses mezőt kölcsönöz az elektronoknak. Az elektronok spinje két irányú lehet – “felfelé” és “lefelé” – ahogy az azt kísérő mágneses mező is. Az évek során a kutatók elérték azt, hogy képesek legyenek a spin irányának megfordítására – és ezzel a mágneses mezőt is megfordítva – azonban az új tanulmányban van egy újszerű fordulat.

Néhány anyagnál, mint amilyen a kobalt, a szomszédos elektronok spinje között kölcsönhatás van, aminek köszönhetően mindegyik egy irányban mutat. Ha valaki megváltoztatja a spinek egy részét az magával rántja a közelben lévőket is. Ennek köszönhetően a spinek fokozatosan csavarodnak át- óramutató járásával megegyező vagy ellentétes irányba –  és bizonyos anyagoknál ez a csavarodás előnyben részesíti az egyik irányt.

A tanulmányt végző kutatók egy új módszert találtak a a csavarodás irányának változtatására egy mindössze három atomnyi vastag kobalt filmen. Ezen felül arra is képesek voltak, hogy az irányok a film más részein másmilyenek legyenek és mindezt úgy, hogy az független a fém több mágneses tulajdonságától.

A csapat ezt úgy érte el, hogy irányításuk alá vonták a Dzyaloshinskii-Moriya kölcsönhatást (DMI), ami egy kedvezőbb csavarási irányt nyújt a spin számára. A DMI általában egy vékony rétegnyi mágneses fém és nem-mágnesezhető fém közötti határon jelenik meg. A mágneses film elektron spinjei kölcsönhatásba lépnek a nem-mágnesezhető film atomjaival, ezzel létrehozva egy kedvező csavarodási irányt.

A DMI irányításával fokozható a mágneses memória, ami a spinek irányának segítségével raktároz információkat. A memóriaként használt berendezésnek két állapotának kell lennie, amiből az egyik a nullát a másik pedig az egyet képviseli – jelen esetben ez a spinek iránya. Hogy erre adatokat írjanak egy olyan módszert kell kidolgozni, ami előrelátható módon képes megfordítani a spinek irányát. Azzal, hogy lehetővé válhat az csavarás irányának és mennyiségének irányítása, lehetővé válhat az hogy a spin irányváltoztatás hatékonyabban és kiszámíthatóbban történjen.

A DMI irányítása egy másik fajta mágneses memória típusban is fontos szerepet játszik. Ha a DMI elég erős akkor a szomszédos spinek csavarásával egy körkörös örvényt hoz létre, amivel a skyrmion nevű exzotikus mágneses csomók jönnek létre. Ezek a részecske szerű csomók képesek információt raktározni, és a jelenlétük vagy hiányuk hasonlóan az elektronikai logika nullája és egyese ként működhet. A DMI irányításával a tudósok olyan syrmionokat hozhatnak létre, amik működéséhez kevesebb energia kell mint más típusú mágneses memóriákhoz.

A tanulmányban leírt kísérletben a tudósok egy rétegnyi kobaltot fogtak közre két rétegnyi platinával – ami egy nem-mágnesezhető fém – amit utána argon ionokkal bombázta, ezzel robbanásokat keltve a felső platina rétegen és megérdesítve a platina és a kobalt közötti határt. A kutatók rájöttek hogyha nagy energiájú argont használnak a DMI negatív volt, az óramutató járásával ellentétes irányba csavarva a kobalt spinjeit, szemben a kisebb energiájú argonnal, aminél a DMI pozitív volt, így az óramutató járásának megegyező módon fordítva spinen. A közepes energiával a kutatóknak sikerült elérni hogy nulla legyen a DMI, így a csavarodás mindkét irányba azonos valószínűséggel történhetett.

A kutatók eredeti célja az volt, hogy a kobalt alapú szenzort hozzanak létre, amivel érzékelhető a nanorészecskék mágnesessége. Amíg a csapat finomhangolta a berendezést, rájöttek hogy a DMI egy eddig ismeretlen módon is irányítható.

Mivel az argon ionokat lehetséges a kobalt különböző területeire irányítani, így a kutatók képesek voltak létrehozni egy olyan kobalt filmet, aminek a DMI-je eltér az anyag felületén.

“Hat évtizeddel azután, hogy Dzyaloshinskii és Moriya felfedezte ezt a kölcsönhatást, az új eljárásunk lehetővé teszi annak a térbeli irányítását, más mágneses tulajdonságoktól függetlenül lehetővé tesz új tudományos kutatást a DMI-vel kapcsolatban és lehetővé teszi az új nanomágneses készülékek készítését is,” mondta Andrew Balk, a kutatás egyik vezetője.

Ezenfelül a kutatóknak sikerült igazolniuk az eredeti feltevésüket is, hogy DMI irányításával létrehozható egy olyan mágneses mező. ami érzékeny a nanorészecskékre is.

Forrás: journals.aps.org

Szerkesztő: arsratio

Oszd meg

Hozzászólás küldése

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.