Wissenschaftler kontrollieren den Magnetismus auf mikroskopischer Ebene

Atome in magnetischen Materialien sind in Regionen organisiert, die als magnetische Domänen bezeichnet werden. Innerhalb jeder Domäne haben die Elektronen die gleiche magnetische Orientierung. Das bedeutet, dass ihre Spins in die gleiche Richtung zeigen. „Wände“ trennen die magnetischen Domänen. Ein Wandtyp hat Spinrotationen, die links- oder rechtshändig sind, was als Chiralität bekannt ist. Wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, nähern sich chirale Domänenwände einander an, wodurch die magnetischen Domänen schrumpfen.

Forscher haben ein magnetisches Material entwickelt, dessen Dicke bestimmt, ob chirale Domänenwände die gleiche oder wechselnde Händigkeit haben. Im letzteren Fall führt das Anlegen eines Magnetfelds zur Vernichtung kollidierender Domänenwände. Die Forscher kombinierten Neutronenstreuung und Elektronenmikroskopie, um diese internen, mikroskopischen Merkmale zu charakterisieren, was zu einem besseren Verständnis des magnetischen Verhaltens führte.

Ein aufstrebendes Technologiefeld namens Spintronik umfasst die Verarbeitung und Speicherung von Informationen, indem der Spin eines Elektrons anstelle seiner Ladung genutzt wird. Die Fähigkeit, diese grundlegende Eigenschaft zu kontrollieren, könnte neue Möglichkeiten für die Entwicklung elektronischer Geräte eröffnen. Im Vergleich zur aktuellen Technologie könnten diese Geräte mehr Informationen auf weniger Platz speichern und mit höheren Geschwindigkeiten bei geringerem Energieverbrauch arbeiten.

Veröffentlicht in Nano-Buchstabenzeigt diese Studie einen Weg, die Rotationsrichtung und das Auftreten von Domänenwandpaaren zu ändern. Dies legt einen möglichen Weg zur Steuerung der Eigenschaften und Bewegung von Domänenwänden nahe. Die Ergebnisse könnten Auswirkungen auf Technologien haben, die auf Spintronik basieren.

Die Fähigkeit, die Bewegung der Domänenwand zu manipulieren, blieb eine Herausforderung, da typischerweise magnetische Domänen ihre Ausrichtung zufällig ändern können. Außerdem bewegen sich Domänengrenzen unvorhersehbar, wenn Domänengrößen reduziert werden, um eine höhere Informationsspeicherdichte aufzunehmen. Eine Klasse von Materialien, die als chirale Magnete bezeichnet werden, hat jedoch das Potenzial zur Abschwächung des zufälligen Verhaltens von Domänenwänden gezeigt. Dies liegt daran, dass chirale Magnete komplizierte Spinstrukturen aufweisen, die dazu beitragen, die zufällige Umkehrung von Domänen zu reduzieren.

Forscher der Indiana University – Purdue University Indianapolis, des Oak Ridge National Laboratory, der Louisiana State University, der Norfolk State University, des Peter Grünberg Institute und der University of Louisiana in Lafayette haben ein chirales magnetisches Material entwickelt, indem sie Manganatome zwischen hexagonale Schichten von Niobdisulfidverbindungen eingefügt haben . Durch Neutronenexperimente am High Flux Isotope Reactor (HFIR) war das Team in der Lage, die magnetische Nanostruktur des Materials zu analysieren, wenn es verschiedenen Temperaturen und Magnetfeldern ausgesetzt wurde.

Diese Messungen wurden mit einer Charakterisierung mittels Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie kombiniert, was ein vollständigeres Verständnis des magnetischen Verhaltens ermöglichte. Die Daten des Teams legen nahe, dass eine Änderung der Dicke des chiralen Magneten dazu führen kann, dass sich einige Domänenwandpaare in entgegengesetzte Richtungen drehen, was als entgegengesetzte Chiralität bekannt ist. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass Domänenwände mit entgegengesetzter Chiralität sich aufeinander zu bewegen und vernichten, wenn sie einem externen Magnetfeld ausgesetzt werden. Die Ergebnisse könnten zukünftige Forschungen zur Steuerung magnetischer Eigenschaften für technologische Anwendungen unterstützen.