Wetenschappers nemen de controle over magnetisme op microscopisch niveau

Atomen in magnetische materialen zijn georganiseerd in gebieden die magnetische domeinen worden genoemd. Binnen elk domein hebben de elektronen dezelfde magnetische oriëntatie. Dit betekent dat hun spins in dezelfde richting wijzen. “Muren” scheiden de magnetische domeinen. Eén type muur heeft spinrotaties die links- of rechtshandig zijn, bekend als chiraliteit. Bij blootstelling aan een magnetisch veld naderen chirale domeinwanden elkaar, waardoor de magnetische domeinen kleiner worden.

Onderzoekers hebben een magnetisch materiaal ontwikkeld waarvan de dikte bepaalt of chirale domeinwanden dezelfde of afwisselende handigheid hebben. In het laatste geval leidt het aanleggen van een magnetisch veld tot vernietiging van botsende domeinwanden. De onderzoekers combineerden neutronenverstrooiing en elektronenmicroscopie om deze interne, microscopische kenmerken te karakteriseren, wat leidde tot een beter begrip van het magnetische gedrag.

Een opkomend technologiegebied genaamd spintronica omvat het verwerken en opslaan van informatie door gebruik te maken van de spin van een elektron in plaats van zijn lading. Het vermogen om deze fundamentele eigenschap te beheersen, zou nieuwe mogelijkheden kunnen ontsluiten voor het ontwikkelen van elektronische apparaten. In vergelijking met de huidige technologie kunnen deze apparaten meer informatie opslaan in minder ruimte en met hogere snelheden werken met minder energieverbruik.

Gepubliceerd in Nano-letters, demonstreert deze studie een manier om de rotatierichting en het voorkomen van domeinwandparen te veranderen. Dit suggereert een mogelijke route voor het beheersen van de eigenschappen en beweging van domeinmuren. De resultaten kunnen implicaties hebben voor technologieën op basis van spintronica.

Het vermogen om de beweging van domeinwanden te manipuleren is een uitdaging gebleven omdat typisch magnetische domeinen willekeurig van oriëntatie kunnen veranderen. Bovendien verschuiven domeingrenzen onvoorspelbaar wanneer domeingroottes worden verkleind om een ​​hogere informatieopslagdichtheid mogelijk te maken. Een klasse van materialen die chirale magneten worden genoemd, heeft echter potentieel aangetoond voor het verminderen van willekeurig domeinwandgedrag. Dit komt omdat chirale magneten ingewikkelde spinstructuren vertonen, die de willekeurige omkering van domeinen helpen verminderen.

Onderzoekers van de Indiana University-Purdue University Indianapolis, Oak Ridge National Laboratory, Louisiana State University, Norfolk State University, het Peter Grünberg Institute en de University of Louisiana in Lafayette ontwikkelden een chiraal magnetisch materiaal door mangaanatomen in te voegen tussen hexagonale lagen van niobiumdisulfideverbindingen . Door neutronenexperimenten uit te voeren in de High Flux Isotope Reactor (HFIR), kon het team de magnetische nanostructuur van het materiaal analyseren wanneer het werd blootgesteld aan verschillende temperaturen en magnetische velden.

Deze metingen werden gecombineerd met karakterisering via Lorentz transmissie-elektronenmicroscopie, waardoor een vollediger begrip van het magnetische gedrag mogelijk werd. De gegevens van het team suggereren dat het veranderen van de dikte van de chirale magneet ertoe kan leiden dat sommige domeinwandparen in tegengestelde richtingen roteren, wat bekend staat als tegengestelde chiraliteit. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat domeinwanden met tegengestelde chiraliteit naar elkaar toe zullen bewegen en vernietigen wanneer ze worden blootgesteld aan een extern magnetisch veld. De bevindingen zouden toekomstig onderzoek naar het beheersen van magnetische eigenschappen voor technologische toepassingen kunnen informeren.