Wissenschaftler am National Institute of Standards and Technology (NIST) haben zusammen mit Kollegen an anderen Orten Neutronenbildgebung und einen Rekonstruktionsalgorithmus eingesetzt, um erstmals die dreidimensionalen Formen und Dynamiken sehr kleiner tornadoartiger atomarer magnetischer Anordnungen in Massenmaterialien aufzudecken.
Diese kollektiven atomaren Anordnungen, Skyrmionen genannt, könnten – wenn sie vollständig charakterisiert und verstanden würden – zur Verarbeitung und Speicherung von Informationen in einer dicht gepackten Form verwendet werden, die mehrere Größenordnungen weniger Energie verbraucht als derzeit üblich.
Die herkömmliche, halbleiterbasierte Methode zur Verarbeitung von Informationen in binärer Form (ein oder aus, 0 oder 1) verwendet elektrische Ladungszustände, die durch Strom, der beim Durchgang durch Transistoren und Anschlüsse auf Widerstand stößt, ständig aktualisiert werden müssen. Das ist der Hauptgrund dafür, dass Computer heiß werden.
Aber die Manipulation und Speicherung von Informationen in stabilen magnetischen Zuständen würde viel weniger Strom (und Wärme) erfordern und eine viel schnellere Umschaltzeit zwischen einem Zustand und einem anderen ermöglichen. Dieses Forschungsgebiet wird Spintronik genannt, weil es den Spin – die inhärente magnetische Polarität – von Atomteilchen und Nanostrukturen anstelle elektrischer Ladung nutzt.
Das vom NIST geleitete Team erforscht einen vielversprechenden spintronischen Kandidaten: eine wirbelartige Formation von Atomen, die als magnetisches Skyrmion bezeichnet wird. Es entsteht auf natürliche Weise in bestimmten Arten von Atomgittern als Reaktion auf magnetische und elektrische Eigenschaften der umgebenden Atome. Skyrmionen haben typischerweise eine Größe im Bereich von 20 bis 200 Nanometern (Milliardstel Meter). Ein menschliches Haar ist etwa 100.000 Nanometer breit.
In zwei Dimensionen nehmen Skyrmionen die Form von Scheiben an, in denen die einzelnen Magnetfelder der Atome je nach ihrer Position auf der Scheibe in unterschiedliche Richtungen zeigen – wie die Windrichtungen an verschiedenen Orten in einem Tornado.
In Schüttgütern können sich Skyrmionen jedoch vertikal stapeln und dreidimensionale Röhren bilden, deren Spitzen bis zur Ober- und Unterseite des Materials reichen können. Wenn die Form jeder Röhre gleich wäre, könnte eine Reihe von Skyrmionen zum Speichern von Daten verwendet werden und durch Anlegen eines schwachen magnetischen oder elektrischen Feldes von einem Zustand in einen anderen geschaltet werden, ähnlich wie Informationen auf einer Festplatte gelesen oder geschrieben werden. Laufwerksplatte.
„Aber die Röhren bilden keine einheitlichen Formen“, sagte NIST-Teamleiter Michael Huber. „Sie krümmen, verdrehen, gabeln sich oder enden aufgrund von Defekten und Asymmetrien im umgebenden Gitter. Wir versuchen genau zu verstehen, was diese Effekte verursacht und wie wir das Material manipulieren können, um sie zu kontrollieren.“ Das Team meldet es Ergebnisse in der Ausgabe vom 14. August von Naturphysik.
Für die Studie stellte die Erstautorin Melissa Henderson von der University of Waterloo Massenproben her – Würfel mit einer Seitenlänge von etwa 3 mm –, die dreidimensionale Stapel oder Röhren von Skyrmionen in einem Gitter aus Kobalt, Zink und Mangan enthielten. Sie wurden für eine neuartige Form der Neutronentomographie zum NIST gebracht, einem Prozess, bei dem ein Neutronenstrahl auf eine Probe gerichtet wird. Wenn die Neutronen mit verschiedenen Formationen innerhalb des Gitters kollidieren – in diesem Fall Skyrmion-Röhren –, streuen sie je nach Form der Röhren an diesem Punkt in verschiedene Richtungen.
Jede Probe wurde in ein Magnetfeld von etwa der Stärke eines Kühlschrankmagneten gelegt und schrittweise um sehr kleine Winkel gedreht, wodurch eine Reihe von „Scheiben“ entstand, die dann mithilfe eines Formrekonstruktionsalgorithmus zu einem einzigen 3D-Bild kombiniert wurden. (Der Prozess ähnelt einem medizinischen CT-Scan, bei dem Röntgenstrahlen anstelle von Neutronen verwendet werden, um ein 3D-Bild zu erzeugen.) Das Ergebnis zeigte, wie die Form und Ausbreitung von Skyrmionröhren mit verschiedenen Arten von Unvollkommenheiten im umgebenden Gitter zusammenhängt .
„In einem perfekten Kristall hätte man diese perfekten geraden Röhren, die von Oberfläche zu Oberfläche durchdringen“, sagte Henderson. „Aber als Wissenschaftler wissen wir, dass es keinen perfekten Kristall gibt und daher wird es bei jeder gegebenen Temperatur einige Kristall- und magnetische Defekte geben, die diese Röhren unterbrechen.“
Die Forscher konnten feststellen, wie verschiedene Arten lokaler Defekte im Gitter die Formen der Skyrmionröhren beeinflussten. „Wenn wir reine Visualisierungen dieser Objekte erhalten und dann verschiedene Parameter ändern und verstehen können, wie sie reagieren“, sagte Henderson, „können wir sie verwenden, um zukünftige Materialien für die Spintronik abzustimmen.“
„Das klingt jetzt vielleicht etwas exotisch“, fügte Huber hinzu. „Aber in 10 Jahren werden Sie in den Elektronikladen gehen und eine Festplatte kaufen, die vollständig auf Spintronik-Eigenschaften basiert, mit dichter gepacktem Speicher und hoher Effizienz.“
„Damit das gelingt, müssen wir Funktionen wie Skyrmionen verstehen, lernen, sie zu steuern und die richtigen Materialien finden.“
Mehr Informationen:
ME Henderson et al., Dreidimensionale Neutronen-Fernfeldtomographie eines Bulk-Skyrmion-Gitters, Naturphysik (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02175-4