Imágenes MTXM de componentes magnéticos en el plano (a) y fuera del plano (b) en una matriz de nanodiscos de permalloy. La rotación magnética en el plano se muestra con una flecha blanca (a). La polarización del núcleo está marcada por puntos negros (arriba) y blancos (abajo). La imagen (c) muestra la configuración de vórtice completa de cada nanodisco en la matriz. (Imágenes cortesía de Im y Fischer)
(Phys.org) - El fenómeno de los nanodiscos ferromagnéticos de vórtices magnéticos (huracanes de magnetismo de solo unos pocos átomos de diámetro) ha generado un gran interés en la comunidad de alta tecnología debido a la posible aplicación de estos vórtices en la memoria de acceso aleatorio no volátil. (RAM) sistemas de almacenamiento de datos. Nuevos hallazgos de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) indican que el camino hacia la RAM de vórtice magnético podría ser más difícil de navegar de lo que se suponía anteriormente. pero también puede haber recompensas inesperadas.
En un experimento que fue posible gracias a los exclusivos haces de rayos X en la fuente de luz avanzada (ALS) de Berkeley Lab, un equipo de investigadores dirigido por Peter Fischer y Mi-Young Im del Centro de Óptica de Rayos X (CXRO), en colaboración con científicos de Japón, descubrió que, contrariamente a lo que se creía anteriormente, la formación de vórtices magnéticos en nanodiscos ferromagnéticos es un fenómeno asimétrico. Es posible que esta ruptura de simetría provoque fallas en un dispositivo de almacenamiento de datos durante su proceso de inicialización.
“Nuestra demostración experimental de que el estado de vórtice en un solo nanodisco magnético experimenta una ruptura de simetría durante la formación significa que, para fines de almacenamiento de datos, probablemente sería necesario un largo proceso de verificación para corregir los errores, "Im dice. "En el lado positivo, El comportamiento no simétrico crea un efecto de sesgo que podría aplicarse a un sensor o dispositivo lógico ".
“Nuestro estudio también es un buen ejemplo de ciencia de mesoescala, que lleva la nanociencia de la última década al siguiente nivel, —Dice Fischer. "Los fenómenos de mesoescala abarcan complejidad y funcionalidad en varias escalas de longitud".
Im y Fischer describen este estudio en un artículo publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza . El artículo se titula "Simetría que se rompe en la formación de estados de vórtice magnético en un nanodisco de aleación permanente". Los coautores de este artículo fueron Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani y Teruo Ono.
Mi-Young Im y Peter Fischer del Centro de Óptica de Rayos X de Berkeley Lab dirigieron un estudio en Advanced Light Source en el que se descubrió que la formación de vórtices magnéticos en nanodiscos ferromagnéticos es un fenómeno asimétrico. (Foto de Roy Kaltschmidt)
Los estados de vórtice magnético se generan en nanodiscos ferromagnéticos porque el giro de los electrones, que da lugar a momentos magnéticos, debe seguir la forma del disco para asegurar el cierre de las líneas de flujo magnético. Esto da como resultado el rizado de las líneas de flujo de magnetización en el plano. En el centro de estas líneas de flujo rizado hay un núcleo en forma de aguja, un "ojo-del-huracán" que apunta hacia arriba o hacia abajo con respecto al plano de la superficie del nanodisco.
“La magnetización del nanodisco ferromagnético, por tanto, tiene dos componentes, la polaridad hacia arriba o hacia abajo del núcleo y la quiralidad (rotación) de la magnetización en el plano, que puede ser en sentido horario o antihorario, "Im dice. "Se ha propuesto que estas cuatro orientaciones independientes se pueden utilizar para almacenar datos binarios en nuevos dispositivos de almacenamiento no volátiles".
“Se ha supuesto que los estados de vórtice magnético exhibirían una simetría perfecta requerida para dispositivos de almacenamiento de datos basados en vórtices porque los estados de energía de las cuatro orientaciones eran equivalentes, es decir, cuatro valores lógicos por unidad, —Dice Fischer. sin embargo, mostramos que si analiza un conjunto suficientemente grande de nanodiscos, Este no es el caso. Nuestros resultados demuestran cómo el comportamiento de mesoescala puede ser significativamente diferente del comportamiento de nanoescala ".
La clave para el descubrimiento de la ruptura de la simetría de los vórtices magnéticos fue la capacidad del equipo de investigación para observar simultáneamente tanto la quiralidad como la polaridad en una gran variedad de nanodiscos. Los estudios anteriores se centraron en la quiralidad o la polaridad en un solo disco. Esta observación simultánea se logró utilizando el microscopio de rayos X XM-1 en la línea de luz ALS 6.1.2. XM-1 proporciona microscopía de rayos X suave de transmisión magnética de campo completo con resolución espacial de hasta 20 nanómetros, gracias en parte a la óptica de rayos X de alta calidad proporcionada por los investigadores de CXRO.
“La microscopía de rayos X suave de transmisión magnética ofrece imágenes de alta resolución espacial y temporal con contraste magnético específico del elemento, lo que lo convierte en un método ideal para estudiar la dinámica de espín a nanoescala, como la dinámica del núcleo de vórtice, "Im dice. "XM-1 proporciona un gran campo de visión y, por lo tanto, tiempos de exposición por disco muy cortos".
Soy, Fischer y sus colegas crearon nanodiscos a partir de permalloy, una aleación de níquel y hierro cuyas propiedades magnéticas han sido plenamente caracterizadas. Usando litografía por haz de electrones, modelaron grandes conjuntos de discos, cada uno con un radio de 500 nanómetros y un espesor de 100 nanómetros. Las matrices se depositaron en membranas de nitruro de silicio para permitir una transmisión suficiente de rayos X suaves y se expusieron en XM-1 durante unos segundos. En su papel los autores concluyen que la ruptura de la simetría observada probablemente sea el resultado de una combinación de factores intrínsecos y extrínsecos. Se cree que el factor intrínseco es un acoplamiento antisimétrico entre los espines de dos electrones llamado interacción Dzyaloshinskii-Moriya. Los factores extrínsecos incluyen defectos a lo largo de los bordes de los nanodiscos y superficies rugosas de los nanodiscos.
“Nuestro hallazgo es sin duda un nuevo fenómeno físico en vórtices magnéticos, que no ha sido explorado hasta ahora, ”Dice Im. "La importancia estadística de nuestro trabajo experimental y nuestra rigurosa simulación micromagnética en 3D para el proceso de generación del estado de vórtice proporciona nueva información importante para la física menos conocida en el proceso de magnetización de los nanodiscos".
“También hemos demostrado que el comportamiento determinista y la funcionalidad en la mesoescala no siempre pueden extrapolarse incluso de una comprensión completa del comportamiento a nanoescala, —Dice Fischer. "En otras palabras, comprender un solo ladrillo LEGO podría no ser suficiente para construir una estructura grande y compleja ".
Im es el autor correspondiente del artículo de Nature Communications. Los coautores Yamada y Ono pertenecen a la Universidad de Kyoto, los coautores Sato y Nakatani están en la Universidad de Electro-Comunicaciones en Chofu, y el coautor Kasai está en el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón.
