Гонг Чен и Андреас Шмид, эксперты по электронной микроскопии из отдела материаловедения лаборатории Беркли, открыли метод, с помощью которого так называемые «спиновые текстуры» магнитных доменных стенок в ультратонких магнитах могут переключаться между левыми и правыми. ручные, циклоидальные, спиральные и смешанные структуры. Учитывая, что "ручность" или хиральность спиновой текстуры определяет движение магнитной доменной стенки в ответ на электрический ток, этот метод, который включает стратегическое применение одноосной деформации, должен подойти для создания доменных стенок, предназначенных для желаемого электронная память и логические функции.
«Информация, циркулирующая в сегодняшнем Интернете, по сути, представляет собой какофонию магнитных доменных стенок, перемещаемых внутри магнитных пленок запоминающих устройств», – говорит Шмид. «Сегодня запись и чтение информации связаны с механическими процессами, ограничивающими надежность и скорость. Наши результаты открывают путь к использованию спин-орбитальных сил, действующих на электроны в токе, для перемещения магнитных доменных стенок либо в том же направлении, что и ток, либо в противоположном направлении, либо даже вбок, открывая новый богатый шведский стол из возможности в области спин-орбитроники."
Исследование было проведено в Национальном центре электронной микроскопии (NCEM), который является частью Molecular Foundry, Управления науки Министерства энергетики США.
Результаты были опубликованы в статье Nature Communications под названием «Разблокирование хиральности типа Блоха в ультратонких магнитах посредством одноосной деформации."Чен и Шмид являются соответствующими авторами. Другими соавторами являются Альфа Н’Диай, Сан Пё Кан, Хи Ён Квон, Чанён Вон, Ичжэн Ву и Зи.Q. Цю.
Помимо отрицательного электрического заряда, электроны также несут квантово-механическое свойство, известное как «спин», которое возникает из-за крошечных магнитных полей, создаваемых их вращательным моментом.
Для простоты вращения задано направление либо «вверх», либо «вниз»."Благодаря этим двум свойствам поток электронов создает как зарядовые, так и спиновые токи. Зарядные токи хорошо изучены и служат основой для современных электронных устройств.
Спиновые токи только начинают изучаться как основа для зарождающейся новой области спинтроники. Объединение потоков заряда и спиновых токов вместе открывает дверь в еще одну новую область электроники, называемую спин-орбитроникой."Спин-орбитроника обещает меньшие, более быстрые и гораздо более энергоэффективные устройства за счет твердотельной магнитной памяти.
Ключ к соединению зарядовых и спиновых токов лежит в магнитных доменах, областях в магнитном материале, в которых все спины электронов выровнены друг с другом и направлены в одном направлении – вверх или вниз. В магнитном материале, содержащем несколько магнитных доменов, отдельные домены отделены друг от друга узкими зонами или «стенками», которые имеют быстро меняющиеся направления вращения. Известно, что в тонких магнитных пленках существуют два типа магнитных доменных стенок: блоховские, в которых спин электрона вращается вокруг оси подобно спиральной спирали; и Нееля, в котором спин электрона вращается как циклоидальная спираль. Оба типа стенок могут иметь правую или левую хиральность.
Применяя технику под названием «SPLEEM» для спин-поляризованной электронной микроскопии низкой энергии к тонкой пленке бислоев железо / никель на вольфраме, Чен и Шмид и их сотрудники смогли стабилизировать доменные стенки, которые были смесью Блоха и Нила. типы. Они также показали, как хиральность доменных стенок может переключаться между левым и правым. Это было достигнуто за счет управления одноосной деформацией тонких пленок при наличии асимметричного магнитного обменного взаимодействия между соседними электронными спинами.
«В зависимости от руки, стены типа Нееля двигаются в направлении течения или против него, в то время как стены типа Блоха сдвигаются влево или вправо по течению», – говорит Чен. "Наши результаты представляют хиральность типа Блоха как новую спиновую текстуру и могут позволить нам адаптировать спиновую структуру киральных доменных стенок. Это откроет новые возможности для создания спин-орбитронных устройств."
Ключом к успеху Чена, Шмида и их коллег был их метод визуализации SPLEEM, который в нашей стране мог быть реализован только в NCEM Молекулярного литья.
«Намагниченность – это трехмерный вектор, а не просто скалярное свойство, и для того, чтобы увидеть спиновые текстуры, необходимо разрешить три декартовых компонента намагниченности», – говорит Шмид. «Инструмент SPLEEM лаборатории Беркли – один из немногих инструментов по всему миру, которые позволяют отображать все три декартовых компонента намагниченности. Это была уникальная экспериментальная возможность SPLEEM, которая сделала возможным это исследование спин-орбитроники."