Images MTXM de composants magnétiques dans le plan (a) et hors du plan (b) dans un réseau de nanodisques en permalloy. La rotation magnétique dans le plan est indiquée par la flèche blanche (a). La polarisation centrale est marquée par des points noirs (vers le haut) et blancs (vers le bas). L'image (c) montre la configuration complète du vortex de chaque nanodisque de la matrice. (Images avec l'aimable autorisation de Im et Fischer)
(Phys.org) -- Le phénomène dans les nanodisques ferromagnétiques de vortex magnétiques - des ouragans de magnétisme de seulement quelques atomes de diamètre - a suscité un vif intérêt dans la communauté de la haute technologie en raison de l'application potentielle de ces vortex dans la mémoire à accès aléatoire non volatile (RAM) systèmes de stockage de données. De nouvelles découvertes de scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du département américain de l'Énergie (DOE) indiquent que la route vers le vortex magnétique RAM pourrait être plus difficile à parcourir qu'on ne le supposait auparavant, mais il peut aussi y avoir des récompenses inattendues.
Dans une expérience rendue possible par les faisceaux de rayons X uniques de la source de lumière avancée (ALS) de Berkeley Lab, une équipe de chercheurs dirigée par Peter Fischer et Mi-Young Im du Center for X-Ray Optics (CXRO), en collaboration avec des scientifiques au Japon, découvert que contrairement à ce que l'on croyait auparavant, la formation de tourbillons magnétiques dans les nanodisques ferromagnétiques est un phénomène asymétrique. Il est possible que cette rupture de symétrie conduise à une défaillance d'un dispositif de stockage de données lors de son processus d'initialisation.
« Notre démonstration expérimentale selon laquelle l'état du vortex dans un seul nanodisque magnétique subit une rupture de symétrie pendant la formation signifie qu'à des fins de stockage de données, il faudrait probablement un long processus de vérification pour corriger les erreurs, ” Im dit. « Du côté positif, un comportement non symétrique crée un effet de polarisation qui pourrait être appliqué à un capteur ou à un dispositif logique.
« Notre étude est également un bel exemple de science à mésoéchelle, qui porte la nanoscience de la dernière décennie au niveau supérieur, », dit Fischer. « Les phénomènes à mésoéchelle englobent la complexité et la fonctionnalité sur différentes échelles de longueur. »
Im et Fischer décrivent cette étude dans un article publié dans la revue Communication Nature . L'article s'intitule « Symetry break in the formation ofmagnetic vortex states in a permalloy nanodisk. » Les co-auteurs de cet article étaient Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasaï, Yoshinobu Nakatani et Teruo Ono.
Mi-Young Im et Peter Fischer du Center for X-Ray Optics de Berkeley Lab ont mené une étude à Advanced Light Source dans laquelle il a été découvert que la formation de tourbillons magnétiques dans les nanodisques ferromagnétiques est un phénomène asymétrique. (Photo de Roy Kaltschmidt)
Les états de vortex magnétiques sont générés dans les nanodisques ferromagnétiques parce que le spin des électrons, ce qui donne lieu à des moments magnétiques, doit épouser la forme du disque pour assurer la fermeture des lignes de flux magnétique. Cela se traduit par l'enroulement des lignes de flux de magnétisation dans le plan. Au centre de ces lignes de flux de curling se trouve un noyau en forme d'aiguille, un « œil de l'ouragan » qui pointe vers le haut ou vers le bas par rapport au plan de surface du nanodisque.
« L'aimantation du nanodisque ferromagnétique a donc deux composantes, la polarité montante ou descendante du noyau et la chiralité (rotation) de l'aimantation dans le plan, qui peut être dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse, ” Im dit. "Il a été proposé que ces quatre orientations indépendantes puissent être utilisées pour stocker des données binaires dans de nouveaux périphériques de stockage non volatils."
« L'hypothèse a été que les états de vortex magnétiques présenteraient une symétrie parfaite requise pour les dispositifs de stockage de données à base de vortex car les états d'énergie des quatre orientations étaient équivalents, ce qui signifie quatre valeurs logiques par unité, », dit Fischer. « Cependant, nous montrons que si vous analysez un ensemble suffisamment grand de nanodisques, ce n'est pas le cas. Nos résultats démontrent comment le comportement à l'échelle méso peut être significativement différent du comportement à l'échelle nano.
La clé de la découverte de la rupture de la symétrie des vortex magnétiques était la capacité de l'équipe de recherche à observer simultanément la chiralité et la polarité dans un large éventail de nanodisques. Des études antérieures se sont concentrées sur la chiralité ou la polarité dans un seul disque. Cette observation simultanée a été réalisée à l'aide du microscope à rayons X XM-1 sur la ligne de lumière ALS 6.1.2. XM-1 fournit une microscopie à rayons X doux à transmission magnétique plein champ avec une résolution spatiale jusqu'à 20 nanomètres, grâce en partie à l'optique à rayons X de haute qualité fournie par les chercheurs du CXRO.
« La microscopie à rayons X doux à transmission magnétique offre une imagerie à haute résolution spatiale et temporelle avec un contraste magnétique spécifique à l'élément, ce qui en fait une méthode idéale pour étudier la dynamique de spin à l'échelle nanométrique, tels que la dynamique du noyau de vortex, ” Im dit. « XM-1 offre un large champ de vision et donc des temps d'exposition par disque très courts. »
Je suis, Fischer et leurs collègues ont façonné des nanodisques à partir de permalloy, un alliage de nickel et de fer dont les propriétés magnétiques ont été parfaitement caractérisées. En utilisant la lithographie par faisceau d'électrons, ils ont modelé de grands réseaux de disques, chacun avec un rayon de 500 nanomètres et une épaisseur de 100 nanomètres. Les réseaux ont été déposés sur des membranes en nitrure de silicium pour permettre une transmission suffisante des rayons X mous et exposés dans XM-1 pendant quelques secondes. Dans leur papier, les auteurs concluent que la brisure de symétrie observée résulte très probablement d'une combinaison de facteurs intrinsèques et extrinsèques. On pense que le facteur intrinsèque est un couplage antisymétrique entre les spins de deux électrons appelé interaction Dzyaloshinskii-Moriya. Les facteurs extrinsèques comprennent les défauts le long des bords des nanodisques et les surfaces rugueuses des nanodisques.
"Notre découverte est certainement un nouveau phénomène physique dans les tourbillons magnétiques, qui n'a pas été exploré jusqu'à présent, " dit Im. « La signification statistique de nos travaux expérimentaux et de notre simulation micromagnétique 3D rigoureuse pour le processus de génération de l'état de vortex fournit de nouvelles informations importantes pour la physique moins connue du processus de magnétisation des nanodisques. »
« Nous avons également montré que le comportement et la fonctionnalité déterministes à l'échelle méso ne peuvent pas toujours être extrapolés à partir d'une compréhension même complète du comportement à l'échelle nanométrique, », dit Fischer. « En d'autres termes, comprendre une seule brique LEGO pourrait ne pas suffire pour construire une structure grande et complexe.
Im est l'auteur correspondant de l'article de Nature Communications. Les co-auteurs Yamada et Ono sont avec l'Université de Kyoto, les co-auteurs Sato et Nakatani sont avec l'Université d'Electro-Communications à Chofu, et co-auteur Kasai est avec le Japon et l'Institut national des sciences des matériaux.
