La fila superior muestra la fase de electrones, la segunda fila muestra inducción magnética, y la fila inferior muestra esquemas para la fase simulada de diferentes características de dominio magnético en muestras de material multicapa. La primera columna es para un material de película delgada simétrica y la segunda columna es para una película delgada asimétrica que contiene gadolinio y cobalto. Las barras de escala son 200 nanómetros (mil millonésimas de metro). Las líneas punteadas indican las paredes del dominio y las flechas indican la quiralidad o "destreza". Las imágenes subyacentes en las dos filas superiores se produjeron utilizando una técnica en la Fundición Molecular de Berkeley Lab conocida como microscopía de Lorentz. Haga clic en la imagen para verla en un tamaño más grande. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Un equipo de científicos que trabaja en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) del Departamento de Energía ha confirmado una propiedad especial conocida como "quiralidad", que potencialmente podría explotarse para transmitir y almacenar datos de una nueva forma, en muestras de varias capas de nanómetros de espesor. materiales que tienen una estructura desordenada.
Si bien la mayoría de los dispositivos electrónicos dependen del flujo de carga de electrones, la comunidad científica está buscando febrilmente nuevas formas de revolucionar la electrónica mediante el diseño de materiales y métodos para controlar otros rasgos electrónicos inherentes, como sus órbitas alrededor de los átomos y su giro, que se puede considerar como la aguja de una brújula sintonizada para mirar en diferentes direcciones.
Estas propiedades, los científicos esperan, puede habilitar más rápido, menor, y un almacenamiento de datos más confiable al facilitar la espintrónica, una faceta de la cual es el uso de la corriente de espín para manipular dominios y paredes de dominio. Los dispositivos impulsados por espintrónica podrían generar menos calor y requerir menos energía que los dispositivos convencionales.
En el último estudio, detallado en la edición en línea del 23 de mayo de la revista Materiales avanzados , Los científicos que trabajan en la Fundición Molecular y la Fuente de Luz Avanzada (ALS) de Berkeley Lab confirmaron una quiralidad, o destreza, en las regiones de transición, llamadas paredes de dominio, entre dominios magnéticos vecinos que tienen espines opuestos.
Los científicos esperan controlar la quiralidad, análoga a ser diestro o zurdo, para controlar los dominios magnéticos y transmitir ceros y unos como en la memoria de computadora convencional.
Las muestras estaban compuestas por una aleación amorfa de gadolinio y cobalto, intercalado entre capas ultrafinas de platino e iridio, que se sabe que tienen un fuerte impacto en los giros vecinos.
Los circuitos informáticos modernos suelen utilizar obleas de silicio basadas en una forma cristalina de silicio, que tiene una estructura ordenada regularmente. En este último estudio, las muestras de material utilizadas en los experimentos eran amorfas, o no cristalino, lo que significa que su estructura atómica estaba desordenada.
Los experimentos revelaron una quiralidad dominante en las propiedades magnéticas de estas paredes de dominio que posiblemente podrían cambiar a su opuesto. Dicho mecanismo de volteo es una tecnología habilitadora crítica para la espintrónica y los campos de investigación variantes que se basan en la propiedad de espín del electrón.
El equipo científico trabajó para identificar el grosor correcto, concentración, y estratificación de elementos, y otros factores para optimizar este efecto quiral.
"Ahora tenemos pruebas de que podemos tener magnetismo quiral en películas delgadas amorfas, que nadie había mostrado antes, "dijo Robert Streubel, autor principal del estudio e investigador postdoctoral en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab. El éxito de los experimentos, él dijo, abre la posibilidad de controlar algunas propiedades de los muros de dominio, como la quiralidad, con temperatura, y de cambiar las propiedades quirales de un material con la luz.
En estas filas de imágenes secuenciadas, producido utilizando técnicas basadas en rayos X, la primera columna muestra el estado desmagnetizado de un material multicapa que contiene gadolinio y cobalto; la segunda columna muestra el magnetismo residual en las mismas muestras después de un externo, se aplicó un campo magnético positivo y luego se eliminó; y la última columna muestra las muestras cuando se aplica un campo magnético negativo. Las flechas blancas en la tercera fila de imágenes indican regiones ricas en gadolinio en el material. Haga clic en la imagen para verla en un tamaño más grande. Crédito:Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley
Materiales amorfos, a pesar de su estructura desordenada, también podría fabricarse para superar algunas de las limitaciones de los materiales cristalinos para aplicaciones espintrónicas, Streubel señaló. "Queríamos investigar estos materiales más complejos que son más fáciles de hacer, especialmente para aplicaciones industriales ".
El equipo de investigación reclutó a un técnica de microscopía electrónica de alta resolución en la fundición molecular de Berkeley Lab, y llevó a cabo los experimentos en un modo de observación de Lorentz para obtener imágenes de las propiedades magnéticas de las muestras de material. Combinaron estos resultados con los de una técnica de rayos X en el ALS conocida como espectroscopia de dicroísmo circular magnético para confirmar la quiralidad magnética a nanoescala en las muestras.
La técnica de microscopía de Lorentz empleada en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica de Molecular Foundry proporcionó la resolución de decenas de nanómetros requerida para resolver las propiedades del dominio magnético conocidas como texturas de espín.
"Esta alta resolución espacial en este instrumento nos permitió ver la quiralidad en las paredes del dominio, y miramos a través de toda la pila de materiales, "dijo Peter Fischer, un codirector del estudio y un científico senior en la División de Ciencias de Materiales del Laboratorio.
Fischer señaló que el cada vez más preciso, técnicas experimentales de alta resolución, que utilizan haces de electrones y rayos X, por ejemplo, ahora permite a los científicos explorar materiales complejos que carecen de una estructura bien definida.
"Ahora estamos buscando nuevos tipos de sondas, " él dijo, que están profundizando a escalas cada vez más pequeñas. "A menudo se pueden producir nuevas propiedades y descubrimientos en las interfaces de los materiales, por eso preguntamos:¿Qué pasa cuando pones una capa al lado de otra? ¿Y cómo afecta eso a las texturas de giro, ¿Cuáles son los paisajes magnéticos de las orientaciones de espín de un material? "
La herramienta de investigación definitiva, Fischer dijo:que está en el horizonte con la próxima generación de sondas de rayos X y electrones, proporcionaría a los científicos la capacidad de ver directamente, a resolución atómica, la conmutación magnética que se produce en las interfaces de un material en escalas de tiempo de femtosegundos (cuadrillonésimas de segundo).
"Nuestro siguiente paso es, por lo tanto, profundizar en la dinámica de la quiralidad de estas paredes de dominio en un sistema amorfo:obtener imágenes de estas paredes de dominio mientras se mueven, y para ver cómo se ensamblan los átomos, " él dijo.
Streubel agregado, "Fue realmente un estudio profundo en casi todos los aspectos que se necesitaban. Cada pieza en sí misma planteaba desafíos". Los resultados de la microscopía de Lorentz se introdujeron en un algoritmo matemático, personalizado por Streubel, para identificar tipos de muro de dominio y quiralidad. Otro desafío fue optimizar el crecimiento de la muestra para lograr los efectos quirales utilizando una técnica convencional conocida como pulverización catódica.
El algoritmo y las técnicas experimentales, ahora se puede aplicar a un conjunto completo de materiales de muestra en estudios futuros, y "debe poder generalizarse a diferentes materiales para diferentes propósitos, " él dijo.
El equipo de investigación también espera que su trabajo pueda ayudar a impulsar la I + D relacionada con la orbitrónica de espín, donde las texturas de espín "protegidas topológicamente" (estables y resilientes) llamadas skyrmions podrían potencialmente reemplazar la propagación de pequeñas paredes de dominio en un material y dar lugar a dispositivos informáticos más pequeños y rápidos con menor consumo de energía que los dispositivos convencionales.
