Une équipe de recherche dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a créé un "terrain de jeu" à l'échelle nanométrique sur une puce qui simule la formation de particules magnétiques exotiques appelées monopôles. L'étude, publiée récemment dans Avancées scientifiques - pourrait percer les secrets de plus en plus petits, dispositifs de mémoire plus puissants, microélectronique, et des disques durs de nouvelle génération qui utilisent la puissance du spin magnétique pour stocker les données.

Suivez les « règles de la glace »

Pendant des années, d'autres chercheurs ont essayé de créer un modèle réel d'un monopôle magnétique - un magnétique théorique, particule subatomique qui a un seul pôle nord ou sud. Ces particules insaisissables peuvent être simulées et observées en fabriquant des matériaux artificiels de glace de spin - de grands réseaux de nano-aimants qui ont des structures analogues à la glace d'eau - dans lesquels la disposition des atomes n'est pas parfaitement symétrique, menant à des pôles résiduels nord ou sud.

Les opposés s'attirent dans le magnétisme (les pôles nord sont attirés par les pôles sud, et vice-versa) de sorte que ces pôles uniques tentent de se déplacer pour trouver leur correspondance parfaite. Mais parce que les glaces artificielles conventionnelles sont des systèmes 2-D, les monopôles sont très confinés, et ne sont donc pas des représentations réalistes du comportement des monopôles magnétiques, a déclaré l'auteur principal Alan Farhan, qui était stagiaire postdoctoral à l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab au moment de l'étude, et est maintenant avec l'Institut Paul Scherrer en Suisse.

Pour surmonter cet obstacle, l'équipe dirigée par Berkeley Lab a simulé un système 3-D à l'échelle nanométrique qui suit « les règles de la glace, " un principe qui régit la façon dont les atomes s'arrangent dans la glace formée à partir d'eau ou du pyrochlore minéral.

"C'est un élément crucial de notre travail, " a déclaré Farhan. "Avec notre système 3-D, un monopole nord ou sud peut se déplacer où bon lui semble, interagir avec d'autres particules dans son environnement comme le ferait une charge magnétique isolée, en d'autres termes, comme un monopole."

Un nanomonde sur puce

L'équipe a utilisé des outils de lithographie sophistiqués développés à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique, pour modéliser un 3-D, réseau carré de nano-aimants. Chaque aimant du réseau a à peu près la taille d'une bactérie et repose sur un plat, Plaquette de silicium de 1 centimètre sur 1 centimètre.

"C'est un nanomonde, avec une architecture minuscule sur une plaquette minuscule, " mais configuré atomiquement exactement comme de la glace naturelle, dit Farhan.

Pour construire la nanostructure, les chercheurs ont synthétisé deux expositions, chacun aligné dans un rayon de 20 à 30 nanomètres. A la Fonderie Moléculaire, le co-auteur Scott Dhuey a fabriqué des nanomotifs de quatre types de structures sur une minuscule puce de silicium. Les puces ont ensuite été étudiées à l'ALS, un centre de recherche sur les sources lumineuses synchrotron ouvert aux scientifiques invités du monde entier. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée microscopie électronique à photoémission à rayons X (PEEM), diriger de puissants faisceaux de rayons X sensibles aux structures magnétiques sur les nanomotifs pour observer comment les monopôles pourraient se former et se déplacer en réponse aux changements de température.

Contrairement aux microscopes PEEM à d'autres sources lumineuses, Le microscope PEEM3 de Berkeley Lab a un angle d'incidence des rayons X plus élevé, minimiser les effets d'ombre, qui sont similaires aux ombres projetées par un bâtiment lorsque le soleil frappe la surface sous un certain angle. "En réalité, les images enregistrées ne révèlent aucun effet d'ombre, " a déclaré Farhan. " Cela fait du PEEM3 l'élément le plus crucial pour le succès de ce projet. "

Farhan a ajouté que le PEEM3 est le seul microscope au monde qui offre aux utilisateurs un contrôle total de la température dans la plage inférieure à 100 Kelvin (inférieure à moins 280 degrés Fahrenheit). capturer en temps réel comment les monopôles magnétiques émergents se forment lorsque la glace artificielle gelée fond en un liquide, et comme le liquide s'évapore dans un état gazeux de charges magnétiques - une forme de matière connue sous le nom de plasma.

Les chercheurs espèrent maintenant modéliser des nano-aimants de plus en plus petits pour l'avancement d'une spintronique plus petite mais plus puissante, un domaine recherché de la microélectronique qui exploite les propriétés de spin magnétique des particules pour stocker plus de données dans des appareils plus petits tels que les disques durs magnétiques.

De tels dispositifs utiliseraient des films magnétiques et des films minces supraconducteurs pour déployer et manipuler des monopôles magnétiques afin de trier et de stocker des données en fonction de la direction nord ou sud de leurs pôles, analogues aux uns et aux zéros des dispositifs de stockage magnétique conventionnels.