Een blik in de toekomst van magnetische faseovergangen

Onderzoekers van PSI hebben voor het eerst waargenomen hoe kleine magneten in een speciale lay-out zichzelf uitsluitend uitlijnen als gevolg van temperatuurveranderingen. Deze kijk op processen die plaatsvinden in zogenaamd kunstmatig spinijs, zou een belangrijke rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van nieuwe krachtige computers. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuurfysica.

Wanneer water bevriest om ijs te vormen, rangschikken de watermoleculen zich met hun waterstof- en zuurstofatomen in een complexe structuur. Water en ijs zijn verschillende fasen en de transformatie van water naar ijs wordt een faseovergang genoemd. In het laboratorium kunnen kristallen worden gemaakt waarin de elementaire magnetische momenten, de zogenaamde spins, structuren vormen die vergelijkbaar zijn met ijs. Daarom noemen onderzoekers deze structuren ook wel spinijs. “We hebben kunstmatig spin-ijs gemaakt, dat in wezen bestaat uit nanomagneten die zo klein zijn dat hun oriëntatie alleen kan veranderen als gevolg van de temperatuur”, legt natuurkundige Kevin Hofhuis uit, die net zijn proefschrift heeft afgerond bij PSI en nu werkt aan de Yale University in de VS.

In het materiaal dat de onderzoekers gebruikten, zijn de nanomagneten gerangschikt in hexagonale structuren – een patroon dat bekend is uit de Japanse kunst van het mandenvlechten onder de naam kagome. “Magnetische faseovergangen waren theoretisch voorspeld voor kunstmatig kagome-spinijs, maar ze zijn nog nooit eerder waargenomen”, zegt Laura Heyderman, hoofd van het Laboratory for Multiscale Materials Experiments bij PSI en een professor aan ETH Zürich. “De detectie van faseovergangen is nu alleen mogelijk dankzij het gebruik van ultramoderne lithografie om het materiaal in de PSI-cleanroom te produceren, evenals een speciale microscopiemethode bij de Swiss Light Source SLS.” Het journaal Natuurfysica publiceert nu de resultaten van deze experimenten.

De truc: kleine magnetische bruggen

Voor hun monsters gebruikten de onderzoekers een nikkel-ijzerverbinding genaamd permalloy, die als een dunne film op een siliciumsubstraat was gecoat. Ze gebruikten een lithografieproces om herhaaldelijk een klein, zeshoekig patroon van nanomagneten te vormen, waarbij elke nanomagneet ongeveer een halve micrometer (miljoensten van een meter) lang en een zesde van een micrometer breed was. Maar dat is niet alles. “De truc was dat we de nanomagneten verbonden met kleine magnetische bruggetjes”, zegt Hofhuis. “Dit leidde tot kleine veranderingen in het systeem waardoor we de faseovergang zo konden afstemmen dat we het konden waarnemen. Deze bruggen moesten echter heel klein zijn, omdat we het systeem niet wilden veranderen te veel.”

De fysicus is nog steeds verbaasd dat deze onderneming daadwerkelijk is geslaagd. Met de creatie van de nanobruggen stootte hij op de grenzen van de technisch mogelijke ruimtelijke resolutie van de huidige lithografische methoden. Sommige bruggen zijn slechts tien nanometer (miljardste van een meter) breed. De ordes van grootte in dit experiment zijn inderdaad indrukwekkend, zegt Hofhuis: “Hoewel de kleinste structuren op ons monster in het nanometerbereik liggen, heeft het instrument om ze in beeld te brengen – SLS – een omtrek van bijna 300 meter.” Heyderman vult aan: “De structuren die we onderzoeken zijn 30 miljard keer kleiner dan de instrumenten waarmee we ze onderzoeken.”

Microscopie en theorie

Bij de SIM-bundellijn van SLS gebruikte het team een ​​speciale methode, foto-emissie-elektronenmicroscopie genaamd, die het mogelijk maakte om de magnetische toestand van elke individuele nanomagneet in de array te observeren. Ze werden actief ondersteund door Armin Kleibert, de wetenschapper die verantwoordelijk is voor SIM. “We hebben een video kunnen opnemen die laat zien hoe de nanomagneten met elkaar omgaan als we de temperatuur veranderen”, vat Hofhuis samen. De originele afbeeldingen bevatten gewoon zwart-witcontrasten die van tijd tot tijd wisselen. Hieruit konden de onderzoekers de configuratie van de spins afleiden, dat wil zeggen de uitlijning van de magnetische momenten.

“Als je naar zo’n video kijkt, weet je niet in welke fase je zit”, legt Hofhuis uit. Dit vroeg om theoretische overweging, die werd bijgedragen door Peter Derlet, PSI-fysicus en adjunct-professor aan de ETH Zürich. Zijn simulaties lieten zien wat er theoretisch zou moeten gebeuren bij de faseovergangen. Alleen de vergelijking van de opgenomen beelden met deze simulaties bewees dat de onder de microscoop waargenomen processen eigenlijk faseovergangen zijn.

Faseovergangen manipuleren

De nieuwe studie is een andere prestatie in het onderzoek naar kunstmatig spin-ijs dat de groep van Laura Heyderman al meer dan een decennium nastreeft. “Het mooie van deze materialen is dat we ze op maat kunnen maken en direct kunnen zien wat er binnenin gebeurt”, zegt de natuurkundige. “We kunnen allerlei fascinerend gedrag waarnemen, inclusief de faseovergangen en volgorde die afhankelijk zijn van de lay-out van de nanomagneten. Dat is niet mogelijk met spinsystemen in conventionele kristallen.” Hoewel deze onderzoeken op dit moment nog puur fundamenteel onderzoek zijn, denken de onderzoekers al na over mogelijke toepassingen. “Nu we weten dat we verschillende fasen in deze materialen kunnen zien en manipuleren, openen zich nieuwe mogelijkheden”, zegt Hofhuis.

Het beheersen van verschillende magnetische fasen zou interessant kunnen zijn voor nieuwe soorten gegevensverwerking. Onderzoekers van PSI en elders onderzoeken hoe de complexiteit van kunstmatig spinijs kan worden gebruikt voor nieuwe snelle computers met een laag stroomverbruik. “Het proces is gebaseerd op de informatieverwerking in de hersenen en maakt gebruik van hoe het kunstmatige spinijs reageert op een stimulus zoals een magnetisch veld of een elektrische stroom”, legt Heyderman uit.