Исследователи из Центра имени Гельмгольца (HZDR) в сотрудничестве с Норвежским университетом науки и технологий в Тронхейме и Институтом ядерной физики Польской академии наук разработали метод, который упрощает производство высокоэффективных магнитных наноматериалов. В основе метода — относительно простой процесс с использованием недорогого сырья.
Используя высокофокусированный ионный пучок, они наносят на материалы магнитные нанополоски, состоящие из крошечных вертикально ориентированных наномагнетиков. Как сообщили исследователи в журнале Advanced Functional Materials, такая геометрия делает материал высокочувствительным к внешним магнитным полям и импульсам тока.
Роль наномагнетиков в современных технологиях
Наномагнетики играют ключевую роль в современных информационных технологиях. Они способствуют быстрому хранению данных, созданию точных магнитных датчиков, новым разработкам в спинтронике и, в будущем, квантовым вычислениям. Основой всех этих приложений являются функциональные материалы с особыми магнитными структурами, которые можно настраивать на наноуровне и точно контролировать.
В прошлом доктор Рантей Бали и его коллеги из Института физики ионных пучков и материаловедения HZDR уже разработали процессы для нанесения на материалы крошечных магнитных структур различной геометрии. Теперь команда сделала решающий шаг вперёд: «Нам удалось создать вертикально ориентированные наномагнетики, используя относительно простой материал. Это может сделать все технологии, зависящие от наномагнетиков, лучше и дешевле», — сообщает Бали.
Инновационный подход к производству наномагнетиков
В большинстве материалов спины электронов имеют тенденцию располагаться горизонтально вдоль поверхности и не направлены наружу. Это серьёзно ограничивает возможности применения. Теперь исследователи смогли продемонстрировать, что, резко уменьшив размер магнитных полей, можно заставить спины располагаться вертикально по отношению к поверхности материала.
Хотя традиционные методы достигают аналогичного поведения, они требуют сырья со сложной кристаллической структурой или комбинируют различные материалы в тонких слоях, что делает этот метод сложным и дорогостоящим. Новая разработка отличается: «И материалы, и их производство недороги и подходят для большинства сценариев применения в области магнетизма», — объясняет Бали.
Исследователи использовали в качестве сырья тонкую металлическую плёнку из сплава железа и ванадия. В неупорядоченной форме атомы этого материала изначально проявляют лишь слабый магнетизм. Но всё меняется, когда на него воздействует высокофокусированный ионный пучок. Принцип заключается в том, что, когда пучок диаметром всего два нанометра попадает в материал, он перестраивает атомы локально в кристаллическую решётку. Ионы эффективно размещают атомы в решётке.
В упорядоченном, кристаллическом состоянии материал становится ферромагнитным. Таким образом, по крупицам создаются крошечные магнитные поля в плёнке. Хотя точный физический механизм пока неизвестен, ясно, что этот процесс позволяет создавать магнитные наноструктуры практически любой геометрии и размера.
В отличие от более ранних попыток, на этот раз исследователи уменьшали ширину нанополосок, пока не получили чрезвычайно тонкие магнитные поля шириной всего 25 нанометров. Вопреки ожиданиям, они обнаружили, что наномагниты размером в нанометры в очень тонких полосках внезапно встали вертикально по отношению к поверхности.
Вертикально ориентированные наномагнетики имеют ряд преимуществ. Во-первых, их можно разместить гораздо компактнее. Это увеличивает плотность хранения данных на жёстких дисках и поддерживает тенденцию к миниатюризации компонентов. Во-вторых, они делают материалы более эффективными, например, в спинтронике, где для передачи сигнала используются не только заряд электронов, но и их спин.
Когда электрический ток проходит через материал, вертикальные моменты оказывают на электроны больший крутящий момент, чем параллельные моменты. Квантовые компьютеры также могут извлечь выгоду из вертикально ориентированных наномагнетиков для различения двух возможных основных состояний кубита, которые соответствуют восходящему или нисходящему магнитному выравниванию, и для управления ими с высокой чувствительностью.
«Если говорить очень просто, это похоже на игру в карты. Если вы положите все карты рядом друг с другом на стол, им понадобится довольно много места. Вместо этого, если вы поставите их вертикально, вы сэкономите много места. Одна карта, стоящая вертикально, реагирует гораздо более чувствительно на стимулы, чем лежащая горизонтально. То же самое происходит и с реакцией наномагнетиков на внешние магнитные стимулы», — иллюстрирует Бали.
Для лучшего понимания результатов своих экспериментов исследователи провели дополнительные тесты, чтобы наблюдать, как формируются магнитные домены в материале. Это области, в которых все магнитные моменты выровнены в одном направлении. Когда два противоположных домена сталкиваются, намагниченность должна изменить направление внутри доменной стенки, узкой пограничной области шириной всего в несколько нанометров. В результате магнитные моменты выстраиваются вертикально.
Команда HZDR первоначально смогла продемонстрировать этот особый поворот, используя магнитно-силовую микроскопию и рассеянные поля. Команда NTNU, работающая с Магнусом Нордом, затем снова измерила готовый материал, используя так называемый метод дифференциального фазового контраста, который создаёт наномасштабные изображения, показывающие, как электроны отклоняются при прохождении через магнитные области. Это позволило исследователям нанести на карту намагниченность полосок в двух измерениях и визуализировать границы между различными магнитными доменами.
Команда Михала Крупинского в Институте ядерной физики Польской академии наук в Кракове добавила теоретические симуляции и предоставила визуализацию, которая показывает, насколько точно границы доменов заставляют магнитные моменты принимать вертикальное положение. Теперь команды хотят продолжить разработку будущих технологий для магнитного хранения, датчиков и спин-ориентированных квантовых вычислений, опираясь на свои совместные новые открытия.