Целью этой технологической революции "спинтроники" является использование силы "спина" электрона, свойства, отвечающего за магнетизм, а не его отрицательного заряда.
«Почти все современные электронные технологии, от лампочки до смартфона, связаны с движением заряда», — сказал физик из Брукхейвена Хавьер Пулесио, ведущий автор нового исследования. "Но использование вращения может открыть дверь для гораздо более компактных и новых типов антенн, которые действуют как излучатели спиновых волн, генераторы сигналов, такие как часы, которые синхронизируют все, что происходит внутри компьютера, а также памяти и логических устройств."
Секрет использования вращения заключается в том, чтобы контролировать его эволюцию и конфигурацию вращения.
«Если вы возьмете круглый магнит на холодильник и поместите его под микроскоп, который может отображать спины электронов, вы увидите, что у магнита есть несколько областей, называемых доменами, где внутри каждого домена все вращения направлены в одном направлении», — пояснил лидер группы Имэй Чжу. "Если вы уменьшите этот магнит до размера, меньшего, чем эритроцит, вращения внутри магнита начнут выстраиваться в уникальные текстуры вращения."
Например, в магнитном диске с радиусом всего 500 нанометров (миллиардных долей метра) и толщиной всего 25 нанометров диск больше не может поддерживать несколько доменов, и вращения выравниваются по образцу вращения, подобному урагану, чтобы уменьшить общая магнитная энергия.
Вращения, параллельные поверхности диска, вращаются вокруг ядра, как глаз урагана, либо по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. А в сердечнике магнитные спины указывают на поверхность диска вверх или вниз. Итак, эта структура, магнитный вихрь, имеет четыре возможных состояния — вверх или вниз в паре с часовой стрелкой или против часовой стрелки.
Более того, ядро магнитного вихря можно перемещать внутри нанодиска, применяя электрический ток или внешнее магнитное поле, «поэтому оно ведет себя во многом как частица — квазичастица», — сказал Пулесио.
Применение определенных высокочастотных электромагнитных возбуждений может заставить ядро вихря совершать круговое движение вокруг центра диска. Эти круговые движения или колебания — вот что ученые надеются использовать.
«Генераторы на основе магнитных вихрей могут быть настроены для работы на различных узко определенных частотах, что делает их чрезвычайно гибкими для телекоммуникационных приложений», — сказал Пулесио. «Они также являются автономными элементами, примерно в 100 000 раз меньше, чем генераторы, основанные на напряжении, а не на вращении, поэтому они могут оказаться менее дорогими, потреблять меньше электроэнергии и не будут занимать столько места на устройстве. Это особенно важно, если вы говорите о миниатюризации мобильных телефонов, носимой электроники, планшетов и т. Д."
Однако на данный момент выходная мощность этих спинтронных устройств относительно мала по сравнению с применяемыми в настоящее время технологиями генераторов. Итак, ученые изучают способы синхронизации колебаний множества магнитных вихрей.
В статье Nature Communications Пулесио, Чжу и их сотрудники из Swiss Light Source, Brookhaven National Synchrotron Light Source и Stony Brook University исследовали возможность расширения устройства в трех измерениях путем наложения одного вихря на другой с разделением отдельных дисков. тонким немагнитным слоем. Они исследовали, как изменение толщины немагнитного слоя влияет на фундаментальные взаимодействия в наномасштабе и как они, в свою очередь, влияют на связанную динамику вихрей.
Они непосредственно отобразили, как вихри реагируют на высокочастотную стимуляцию, с помощью просвечивающей электронной микроскопии Лоренца с высоким разрешением.
Результат: более толстый разделительный слой привел к несколько неупорядоченному движению связанных вихрей в двух дисках. Чем тоньше разделительный слой, тем сильнее связаны вихри, синхронизируясь в пространстве в связное круговое движение. Это могло бы помочь преодолеть ограничения мощности современных спинтронных антенн на основе вихрей путем создания массивов синхронизированных крошечных генераторов через связанные трехмерные стеки.
В настоящее время ученые работают с другими, более экзотическими системами, чтобы понять динамику во времени и пространстве, которая может сделать спинтронные технологии реальностью.
«Магнитные вихри были одними из первых наблюдаемых магнитных квазичастиц, и в настоящее время мы стремимся расширить наши исследования, чтобы наблюдать другие недавно обнаруженные спиновые текстуры и способы их использования», — сказал Пулесио.
Это исследование было поддержано основными исследовательскими программами в рамках фундаментальной энергетики Управления науки Министерства энергетики США.
Изготовление устройств частично поддерживалось Центром функциональных наноматериалов при Брукхейвенской национальной лаборатории.