Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ont testé une nouvelle approche pour la fabrication de vannes de spin. À l'aide de faisceaux d'ions, les chercheurs ont réussi à structurer un alliage fer-aluminium de manière à subdiviser le matériau en régions magnétisables individuellement à l'échelle nanométrique. L'alliage préparé est ainsi capable de fonctionner comme une vanne de spin, qui présente un grand intérêt en tant que composant candidat pour une utilisation en spintronique. Non seulement cette technologie utilise la charge électronique à des fins de stockage et de traitement de l'information, il s'appuie également sur ses propriétés magnétiques inhérentes (c'est-à-dire, son tour). La spintronique détient un grand potentiel pour les supports de stockage magnétiques. Par exemple, avec les mémoires magnétiques à accès aléatoire, la longue phase de démarrage d'un ordinateur peut cesser d'être un problème – car dans ce cas, il serait opérationnel dès sa mise sous tension.

Typiquement, une vanne de spin est constituée de couches successives non magnétiques et ferromagnétiques. Cette superposition est un processus très complexe et la connexion fiable de ces composants représente un défi majeur. C'est pourquoi le chercheur en HZDR, le Dr Rantej Bali, et ses collègues adoptent une approche totalement différente. "Nous avons construit des structures avec une géométrie de valve de spin latérale où les différentes régions magnétiques sont organisées les unes à côté des autres plutôt que dans des couches superposées, " explique Bali. L'idée derrière cette nouvelle géométrie est de faciliter le travail en parallèle sur de plus grandes surfaces tout en maintenant des coûts de fabrication bas.

D'abord, les scientifiques ont recuit une fine couche d'un alliage fer-aluminium (Fe60Al40) à 500 degrés C. Cela a entraîné la formation d'une structure très ordonnée, où chaque autre couche atomique était composée exclusivement d'atomes de fer. Selon les attentes des chercheurs, cette substance se comportait comme un matériau paramagnétique - en d'autres termes, les moments magnétiques se sont désordonnés. Après ça, les scientifiques ont enduit l'alliage d'une résine polymère protectrice afin qu'un motif rayé soit produit à sa surface. Les régions sans réserve avaient alternativement 2 et 0,5 micromètres de large, et surtout, étaient séparés les uns des autres par des bandes de résine de 40 nanomètres de large.

Prochain, le matériau a été irradié avec des ions néon au Ion Beam Center du HZDR – avec des conséquences importantes. Les scientifiques ont pu démontrer que le matériau irradié présente des propriétés très intéressantes. Sous les bandes résistantes de protection, le matériau reste paramagnétique tandis que les bandes étroites et larges sans résine deviennent ferromagnétiques. "Une valve de spin est commutée via le champ magnétique. Changer l'alignement des spins - parallèle ou antiparallèle - change la résistance électrique. Nous sommes intéressés par l'ampleur de l'effet, " dit Bali. Un champ magnétique appliqué de l'extérieur aligne les spins dans ces régions. En fonction de la force du champ magnétique, ils peuvent être réglés pour fonctionner en parallèle ou en antiparallèle. Cette aimantation est permanente et n'est pas perdue si le champ extérieur est coupé.

La raison de ce comportement réside dans le fait que le faisceau d'ions modifie la structure de l'alliage. "Les ions détruisent la structure hautement ordonnée des couches de fer. Ils délogent les atomes et d'autres atomes prennent leur place, et, par conséquent, les atomes de fer et d'aluminium se répartissent aléatoirement, " explique Sebastian Wintz, un doctorat étudiant qui faisait partie de l'équipe de chercheurs. Une petite dose d'ions suffit pour jouer à ce jeu de tag de niveau atomique. Wintz caractérise le processus comme suit :« C'est une cascade, vraiment. Un seul ion est capable de déplacer jusqu'à 100 atomes. » Les régions sous le polymère résistent aux rayures, d'autre part, sont impénétrables aux ions - c'est pourquoi ces régions restent paramagnétiques et séparent les bandes ferromagnétiques.

Collaboration avec le Helmholtz Center Berlin En étroite collaboration avec les chercheurs du Helmholtz Center Berlin (HZB), les scientifiques du HZDR ont pu visualiser la structure magnétique du matériau à l'aide du SPEEM spécial (microscope à photoémission à résolution de spin) du synchrotron BESSY II du HZB. Les images microscopiques ont montré l'existence de régions d'ordre paramagnétique et ferromagnétique démontrant le haut niveau de résolution spatiale qui peut être réalisé par le processus de structuration utilisant des faisceaux d'ions.

Des expériences supplémentaires permettront à Rantej Bali et à ses collègues d'étudier les propriétés de ces matériaux à structure magnétique. Les chercheurs tentent également de comprendre les limites de la miniaturisation des nanostructures magnétiques.