La rangée du haut montre la phase électronique, la deuxième rangée montre l'induction magnétique, et la rangée du bas montre des schémas pour la phase simulée de différentes caractéristiques du domaine magnétique dans des échantillons de matériaux multicouches. La première colonne est pour un matériau à couche mince symétrique et la deuxième colonne est pour une couche mince asymétrique contenant du gadolinium et du cobalt. Les barres d'échelle mesurent 200 nanomètres (milliardièmes de mètre). Les lignes en pointillés indiquent les murs de domaine et les flèches indiquent la chiralité ou la « maniabilité ». Les images sous-jacentes dans les deux rangées supérieures étaient produites à l'aide d'une technique de la fonderie moléculaire de Berkeley Lab connue sous le nom de microscopie Lorentz. Cliquez sur l'image pour la voir en plus grand. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Une équipe de scientifiques travaillant au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a confirmé une propriété spéciale connue sous le nom de "chiralité - qui pourrait potentiellement être exploitée pour transmettre et stocker des données d'une nouvelle manière - dans des échantillons de plusieurs nanomètres d'épaisseur matériaux qui ont une structure désordonnée.
Alors que la plupart des appareils électroniques reposent sur le flux de charge des électrons, la communauté scientifique recherche fébrilement de nouvelles façons de révolutionner l'électronique en concevant des matériaux et des méthodes pour contrôler d'autres traits électroniques inhérents, tels que leurs orbites autour des atomes et leur spin, qui peut être considérée comme une aiguille de boussole réglée pour faire face dans différentes directions.
Ces propriétés, les scientifiques espèrent, peut permettre plus rapidement, plus petite, et un stockage de données plus fiable en facilitant la spintronique, dont une facette est l'utilisation du courant de spin pour manipuler les domaines et les parois de domaine. Les dispositifs pilotés par la spintronique pourraient générer moins de chaleur et nécessiter moins d'énergie que les dispositifs conventionnels.
Dans la dernière étude, détaillé dans l'édition en ligne du 23 mai de la revue Matériaux avancés , des scientifiques travaillant à la fonderie moléculaire et à la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab ont confirmé une chiralité, ou de la bravoure, dans les régions de transition - appelées parois de domaine - entre des domaines magnétiques voisins qui ont des spins opposés.
Les scientifiques espèrent contrôler la chiralité, de manière analogue aux droitiers ou aux gauchers, pour contrôler les domaines magnétiques et transmettre des zéros et des uns comme dans la mémoire informatique conventionnelle.
Les échantillons étaient composés d'un alliage amorphe de gadolinium et de cobalt, pris en sandwich entre des couches ultrafines de platine et d'iridium, qui sont connus pour impacter fortement les spins voisins.
Les circuits informatiques modernes utilisent couramment des plaquettes de silicium à base d'une forme cristalline de silicium, qui a une structure régulièrement ordonnée. Dans cette dernière étude, les échantillons de matériaux utilisés dans les expériences étaient amorphes, ou non cristallin, ce qui signifie que leur structure atomique était désordonnée.
Les expériences ont révélé une chiralité dominante dans les propriétés magnétiques de ces parois de domaine qui pourrait éventuellement être inversée. Un tel mécanisme de retournement est une technologie habilitante essentielle pour la spintronique et les domaines de recherche variants basés sur la propriété de spin de l'électron.
L'équipe scientifique a travaillé pour identifier la bonne épaisseur, concentration, et la superposition d'éléments, et d'autres facteurs pour optimiser cet effet chiral.
"Maintenant, nous avons la preuve que nous pouvons avoir un magnétisme chiral dans des films minces amorphes, que personne n'avait montré auparavant, " dit Robert Streubel, l'auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. Le succès des expériences, il a dit, ouvre la possibilité de contrôler certaines propriétés des murs de domaine, comme la chiralité, avec la température, et de changer les propriétés chirales d'un matériau avec la lumière.
Dans ces rangées d'images séquencées, produit à l'aide de techniques basées sur les rayons X, la première colonne montre l'état démagnétisé d'un matériau multicouche contenant du gadolinium et du cobalt; la deuxième colonne montre le magnétisme résiduel dans les mêmes échantillons après un externe, un champ magnétique positif a été appliqué puis supprimé ; et la dernière colonne montre les échantillons lorsqu'un champ magnétique négatif est appliqué. Les flèches blanches dans la troisième rangée d'images indiquent des régions riches en gadolinium dans le matériau. Cliquez sur l'image pour la voir en plus grand. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Matériaux amorphes, malgré leur structure désordonnée, pourrait également être fabriqué pour surmonter certaines des limitations des matériaux cristallins pour les applications de spintronique, a noté Streubel. "Nous avons voulu étudier ces matériaux plus complexes et plus faciles à fabriquer, en particulier pour les applications industrielles."
L'équipe de recherche a recruté un technique de microscopie électronique à haute résolution à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, et a mené les expériences dans un mode d'observation dit de Lorentz pour imager les propriétés magnétiques des échantillons de matériaux. Ils ont combiné ces résultats avec ceux d'une technique aux rayons X à l'ALS connue sous le nom de spectroscopie de dichroïsme circulaire magnétique pour confirmer la chiralité magnétique à l'échelle nanométrique dans les échantillons.
La technique de microscopie de Lorentz employée au Centre national de microscopie électronique de la fonderie moléculaire a fourni la résolution de quelques dizaines de nanomètres requise pour résoudre les propriétés du domaine magnétique connues sous le nom de textures de spin.
"Cette haute résolution spatiale de cet instrument nous a permis de voir la chiralité dans les murs du domaine - et nous avons regardé à travers l'ensemble de la pile de matériaux, " dit Peter Fischer, un co-responsable de l'étude et un scientifique senior de la division des sciences des matériaux du laboratoire.
Fischer a noté que la précision de plus en plus des techniques expérimentales à haute résolution utilisant des faisceaux d'électrons et des rayons X, par exemple, permettent désormais aux scientifiques d'explorer des matériaux complexes sans structure bien définie.
« Nous cherchons maintenant avec de nouveaux types de sondes, " il a dit, qui descendent à des échelles de plus en plus petites. "De nouvelles propriétés et découvertes peuvent assez souvent se produire aux interfaces des matériaux, c'est pourquoi nous demandons :Que se passe-t-il lorsque vous mettez une couche à côté d'une autre ? Et comment cela a-t-il un impact sur les textures de rotation, quels sont les paysages magnétiques d'orientations de spin d'un matériau ?"
L'outil de recherche ultime, Fischer a dit, qui se profile à l'horizon avec la prochaine génération de sondes à électrons et à rayons X, fournirait aux scientifiques la capacité de voir directement, à résolution atomique, la commutation magnétique se produisant dans les interfaces d'un matériau à des échelles de temps femtosecondes (quadrillionièmes de seconde).
« Notre prochaine étape est donc d'entrer dans la dynamique de la chiralité de ces murs de domaines dans un système amorphe :imager ces murs de domaines en mouvement, et de voir comment les atomes s'assemblent, " il a dit.
Streubel ajouté, "C'était vraiment une étude approfondie dans presque tous les aspects qui étaient nécessaires. Chaque pièce en elle-même posait des défis." Les résultats de la microscopie de Lorentz ont été introduits dans un algorithme mathématique, personnalisé par Streubel, pour identifier les types de murs de domaine et la chiralité. Un autre défi consistait à optimiser la croissance de l'échantillon pour obtenir les effets chiraux à l'aide d'une technique conventionnelle connue sous le nom de pulvérisation cathodique.
L'algorithme, et les techniques expérimentales, peut maintenant être appliqué à un ensemble complet d'échantillons de matériaux dans les études futures, et "devrait être généralisable à différents matériaux à des fins différentes, " il a dit.
L'équipe de recherche espère également que leurs travaux pourront aider à stimuler la R&D liée à l'orbitronique de spin, où des textures de spin « topologiquement protégées » (stables et résilientes) appelées skyrmions pourraient potentiellement remplacer la propagation de minuscules parois de domaine dans un matériau et conduire à des appareils informatiques plus petits et plus rapides avec une consommation d'énergie inférieure à celle des appareils conventionnels.
