Els investigadors troben una nova forma de manipular el magnetisme

En un esforç pioner per controlar, mesurar i comprendre el magnetisme a nivell atòmic, els investigadors que treballen a l'Institut Nacional d'Estàndards i Tecnologia (NIST) han descobert un nou mètode per manipular les propietats nanomètriques dels materials magnètics.

La capacitat de controlar aquestes propietats té aplicacions potencials en la creació i millora de la memòria magnètica en els dispositius electrònics de consum, i en el desenvolupament d'un detector sensible per a les nanopartícules magnètiques.
El descobriment se centra en una propietat mecànica quàntica coneguda com spin, que proporciona electrons amb un petit camp magnètic. L'spin electrònic pot apuntar en dues direccions, up o down, igual que el camp magnètic que l'acompanya. Amb els anys, els científics s'han convertit en experts en fer girar la direcció de la rotació i, per tant, la direcció del camp magnètic. Però la nova troballa té un nou gir.

En alguns materials, com el cobalt, els spins dels electrons veïns interactuen fent que tots apuntin en la mateixa direcció. Si alguns dels girs es veuen obligats a allunyar-se d'aquesta direcció, arrenquen alguns dels girs propers amb ells. Això fa que els girs siguin un gir gradual en el sentit de les agulles del rellotge. En alguns materials, els girs prefereixen girar en una sola direcció.
Un equip liderat per l'investigador de NIST, Samuel Stavis i Andrew Balk, ara al Laboratori Nacional de Los Alamos, va trobar una manera de controlar la direcció d'aquest gir en una pel·lícula de cobalt de només tres capes atòmiques de gruix. A més, podrien configurar aquesta direcció en diferents llocs de la mateixa pel·lícula de cobalt, i fer-ho independentment d'altres propietats magnètiques del metall.

L'equip ha aconseguit aquesta nova capacitat controlant un efecte conegut com la interacció Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), que imposa una direcció de gir preferida sobre els spins. El DMI sol presentar-se al límit entre una pel·lícula prima d'un metall magnètic i una capa metàl·lica no magnètica. Els girs electrònics de la pel·lícula magnètica interactuen amb els àtoms de la pel·lícula no magnètica creant un gir preferent.

El control del DMI pot augmentar la memòria magnètica, que utilitza la orientació de l'spin per emmagatzemar informació. Un dispositiu de memòria necessita dos estats diferents, que representen un o zero, en el cas d'un disc dur magnètic, electrons amb spin apuntant cap amunt o cap avall. Per escriure dades, els dissenyadors necessiten una forma predictible de passar d'una orientació de gir a l'altra. Controlar la direcció i la quantitat de gir permeten que el flux d'spin passi de manera més eficient i fiable que si el gir fos aleatori.

El control del DMI també juga un paper clau en un altre tipus de memòria magnètica. Si el DMI és prou fort, girarà els girs propers a un patró de vòrtex circular i podria crear nusos magnètics exòtics anomenats skyrmions. Aquests nusos com partícules poden emmagatzemar informació, i la seva existència o absència en una pel·lícula prima magnètica podria actuar molt com els cercles i els circuits lògics electrònics.
Mitjançant la regulació del DMI, els investigadors poden crear cel·lulars que requeriran menys energia per a funcionar que altres tipus de memòria magnètica i han de poder guiar el seu moviment a través d'un material magnètic.

Els investigadors descriuen el seu treball al Physical Review Letters
En el seu experiment, els investigadors van llançar una fina capa de cobalt entre dues capes de platí, un metall no magnètic. A continuació, van bombardejar el trilayer amb ions d'argó, que van espatllar la pel·lícula de platí superior i van rugir el límit superior entre el platí i el cobalt, depenent de l'energia iònica. Els científics van descobrir que quan s'utilitzen ions d'argó amb una energia més alta, la DMI va ser negatiu, retorçant els espins de cobalt en sentit antihorari, i quan s'utilitzen ions d'argó amb l'energia més baixa, la DMI va ser positiva, i es reforcen els girs en direcció del sentit horari. Quan es va exposar a ions argònics d'energia intermèdia, el DMI era zero, pel que és igualment probable que els girs es giren a la dreta o a l'esquerra.

Els investigadors van fer el seu descobriment mentre sintonitzaven les propietats magnètiques d'una pel·lícula de cobalt per desenvolupar un sensor per a nanopartícules magnètiques. En fer-ho, l'equip es va adonar que havia trobat una nova forma de manipular el DMI.
Com que els ions d'argó amb diferents energies podrien estar dirigits a regions específiques dins del cobalt, els investigadors van poder fabricar pel·lícules de cobalt, la DMI variava a través de la superfície del material.

"Sis dècades després que Dzyaloshinskii i Moriya descobreixin aquesta interacció, el nostre nou procés de control espacial, independentment d'altres propietats magnètiques, permetrà nous estudis científics del DMI i permetrà la fabricació de nous dispositius nanomagnètics", va dir Balk.
Finalment, els científics van trobar que controlar el DMI va fer que la pel·lícula fos més sensible als camps magnètics de les nanopartícules. Més endavant, l'equip planeja publicar treballs sobre l'aplicació de la pel·lícula com a sensor de nanopartícules per als usuaris del Centre NIST per a la ciència i la tecnologia nanoescala, on es va realitzar el treball.

Font: PHYSorg