前沿 2019-01-08 10:01

美国麻省理工学院制造出纳米级磁性准粒子斯格明子

勇力嘉 摘自 美国麻省理工学院新闻网

【据美国麻省理工学院新闻网2019年1月3日报道】美国麻省理工学院的研究人员展示了如何制造并驱动纳米级磁性准粒子斯格明子(skymions),以创建自旋电子记忆装置。研究人员在20毫特斯拉的磁场下,在室温条件下创造了一种电线,堆叠了15个由铂制成的特殊金属合金的重复层——铂(重金属),钴-铁-硼(磁性材料)以及镁-氧;在这些层状材料中,铂金属层和钴-铁-硼之间的界面产生了一种环境,可以通过施加垂直于膜的外部磁场和沿着线的长度行进的电流脉冲来形成图案;这样一来,研究人员不仅能够预测内部的斯格明子的结构和尺寸,同时也可完成一个逆向工程问题,根据期望的斯格明子大小生成多层材料参数。除此之外,研究人员还发现磁性多层膜中的斯格明子具有一种复杂的厚度依赖性扭曲性质,这一性质影响着斯格明子的电流诱导行为。同时,研究人员发现在用铂钴合金磁层和氧化钽层压铂的磁性材料中,斯格明子可以小到10纳米,并能在材料中快速移动;而铁磁体能够限制斯格明子的大小和移动速度——在诸如钴 - 铁 - 硼的铁磁体中,相邻的自旋彼此平行排列并产生强烈的定向磁矩;为了克服铁磁体的基本限制,研究人员转向使用钆-钴,这是一种亚铁基,其中相邻的自旋交替上下移动,可以相互抵消并导致整体零磁矩,从而实现超快旋转纹理。这些特性可以通过材料成分或温度来设计——通过在磁性层中引入特定类型的缺陷,就能在特定位置随意创建这些准粒子。随后,研究人员使用X射线全息术在室温下制作钴-钆混合物中的斯格明子图像。

斯格明子是材料中电子自旋的一种旋转配置,而畴壁是另一种——畴壁是相反自旋取向的畴之间的边界。在自旋电子学领域,这些配置被称为孤子或自旋纹理。由于斯格明子具有材料的基本属性,其形成和运动能量的数学表征涉及一组复杂的方程,包括其圆形尺寸,自旋角动量,轨道角动量,电子电荷,磁场强度,层厚度和几种特殊物理捕获相邻自旋和相邻层之间相互作用能量的术语,例如交换相互作用;而这些相互作用中的一种,称为Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),对于形成图像具有特殊意义,并且由铂层中的电子与磁性层之间的相互作用产生。在Dzyaloshinskii-Moriya相互作用中,旋转彼此垂直对齐,从而稳定了斯格明子。DMI相互作用允许这些斯格明子是拓扑的,使之稳定并允许其利用电流移动。事实证明,通过改变磁性层的分数,可以改变整个系统的平均磁性,可以用不同厚度的间隔层稀释磁性层,以获得不同的磁性,从而提供无限的制造系统的机会。最后一步是精确控制磁性斯格明子——可以通过电流脉冲产生零场飙升以操控斯格明子。

由斯格明子构建的固态设备有朝一日可以取代目前的磁存储硬盘——磁性斯格明子流可以作为计算机应用程序的位。 在材料中,研究人员可以很容易地模拟磁道,以开发赛道存储设备,存储器,逻辑器件,振荡器和神经形态器件。

目前的挑战在于找到阅读斯格明子位的最佳方式,同时也需要设计方法来电子检测这些斯格明子。

相关研究论文《Current-induced Skymion Generation through Morphological Thermal Transitions in Chiral Ferromagnetic Heterostructures》《Fast current-driven domain walls and small skymions in a compensated ferrimagnet》《 Twisted domain walls and skymions in perpendicularly magnetized multilayers》发表在《 Nature Nanotechnology》和《 Advanced Materials》上。

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