Menos no significa peor: skyrmions y paredes de dominio en ferromagnetos

Probablemente haya escuchado más de una vez que alguien hizo el pastel más grande del mundo o la pizza más grande o la hamburguesa más grande. Estos registros son divertidos, a veces muy divertidos, y en el caso de las opciones anteriores también son sabrosos. Pero no son útiles. Al mundo científico también le gusta establecer registros en el tamaño de algo, pero recientemente diametralmente opuesto. Investigadores de todo el mundo están tratando de usar los objetos más pequeños en beneficio de la humanidad y la tecnología. Hoy hablaremos sobre la posibilidad de usar muros de dominio y skyrmions dentro de un ferrimagnet para almacenar y transmitir información. Decir que estos "transportistas" son pequeños es exagerar mucho. ¿Qué y cómo funciona, cuáles son las perspectivas para este estudio y por qué exactamente ferrimagnets? Buscaremos respuestas en el informe del grupo de investigación. Vamos

La base teórica del estudio.

En primer lugar, vale la pena señalar que la mayoría de los estudios, que se basan en el magnetismo y sus aspectos de una forma u otra, utilizan principalmente un ferromagnet en lugar de un ferrimagnet. Una letra en una palabra en realidad cambia no solo el nombre, sino toda la esencia.

Un ferromagnet es lo que observamos con más frecuencia. Si tiene un imán colgado en su refrigerador de sus últimas vacaciones, debe saber que está allí debido al ferromagnetismo. Un ferromagnet es una sustancia que se magnetiza sin el uso de un campo magnético externo y a una temperatura por debajo del punto de Curie. Si hablamos de temperatura ambiente, entonces 4 sustancias tienen propiedades ferromagnéticas: níquel (Ni), hierro (Fe), cobalto (Co) y rutenio (Ru) .


Imanes de neodimio (neodimio de tierras raras + hierro + boro) contra un teléfono inteligente. Personas con nomofobia, por favor no miren.

Tan pronto como cambiemos la letra "o" a "y", obtendremos un tipo de sustancia completamente nuevo. Los ferrimagnetos son algo similares a sus hermanos de ferromagnetos, al menos ambas características magnéticas se aplican a ambos, y ambos "funcionan" a una temperatura por debajo del punto Curie. La diferencia más importante es el hecho de que en ferrimagnets los momentos magnéticos de los átomos de las subredes son antiparalelos. Por qué De hecho, los ferrimagnets son un cóctel de varios elementos químicos, y no uno, como en los ferromagnetos. Debido a esto, consisten en varias subredes, cuya estructura difiere en el número de átomos o en su origen (diferentes elementos químicos). El principal entre los propietarios de las características ferrimagnéticas son las ferritas, que se basan en óxido de hierro (Fe ₂ O ₃ ).


Comparación de la dirección de los momentos magnéticos de un ferromagnet ( a ) y un ferrimagnet ( b ).

Y ahora echemos un vistazo más profundo e intentemos comprender cuáles son estos muros de dominio.

Entonces, un muro de dominio es casi literalmente un muro entre dos dominios magnéticos, un tipo de característica o punto de borde. Continuando con la última analogía, estos dominios magnéticos como Corea del Norte y Corea del Sur, es decir, son opuestos entre sí. Más precisamente, tienen diferentes direcciones de magnetización.


Dominios magnéticos: las áreas en blanco y negro difieren en la dirección de los vectores de sus momentos magnéticos.

El dominio, si no se profundiza, es parte del cristal magnético, una región microscópica en la que los vectores de magnetización están estrictamente ordenados con respecto a los vectores en la región vecina.

Para no repetir nuevamente, puede encontrar una explicación de lo que es un skyrmion magnético en uno de los artículos anteriores . Solo diré brevemente que este es un tipo de embudo de espines atómicos, que llevan el nombre del físico Tony Skyrme.


Imagen a - skyrmion "erizo", b - skyrmion espiral.

Descubrimos un poco la teoría, ahora veamos qué cegaron nuestros héroes de todo esto.

La esencia del estudio.

Arriba, examinamos ferromagnets y ferrimagnets, así como sus diferencias por una razón. Los investigadores creen que a pesar de que los ferromagnetos tienen características y propiedades sorprendentemente útiles, todavía están limitados en velocidad y tamaño, más precisamente, se pueden usar para transferir datos más lentamente, y cada bit será "más grande" que si se usaran ferrimagnets. Suena muy prometedor, pero requiere pruebas. Lo que hicieron los científicos en este estudio.

La base material del experimento fue el compuesto Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx, más precisamente, una película delgada del mismo.


Imagen No. 1

Para empezar, los investigadores decidieron estudiar la estática y la dinámica de la estructura de rotación de Gd ₄₄ Co ₅₆ (imagen 1a ), que es una aleación ferrimagnética amorfa. Las subredes acopladas antiferromagnéticamente de esta aleación tienen un factor g similar, por lo tanto, TA (temperatura de compensación de momento angular) está muy cerca de TM (temperatura de compensación de magnetización).

Como ya sabemos, el protagonista de los experimentos fue Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. El espesor de la película de cada componente fue el siguiente: Ta - 1 nm; Pt - 6 nm; Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 nm; TaOx - 3 nm. Todas las películas se magnetizaron perpendicularmente y se depositaron sobre un sustrato de Si / SiO ₂ por pulverización catódica.

La capa inferior (Pt) era la principal fuente de vórtices de órbita giratoria (en lo sucesivo , SOW ) y generaba constantemente una fuerte interacción Dzyaloshinsky-Morii (en adelante VDM ), que es responsable de las débiles manifestaciones de ferromagnetismo en dieléctricos antiferromagnéticos. La capa superior (TaOx) es protectora.

En el gráfico 1b, en función de la dependencia de la temperatura, se muestran dos indicadores: la fuerza coercitiva (cuadrados) necesaria para la desmagnetización completa de un ferrimagnet (o ferromagnet) y la saturación magnética (círculos). El primer indicador se obtuvo por el método de magnetometría vibracional, y el segundo por el método de polarimetría del efecto Kerr magnetoóptico.

Gracias a los datos obtenidos ( 1s y 1d ), se encontró que TM es aproximadamente 240 K (kelvin), ya que se observa una histéresis del efecto Kerr magneto-óptico.

Mediante microscopía Kerr de campo amplio, se llevaron a cabo estudios sobre el movimiento de la pared del dominio. La Figura 1 muestra varias imágenes cuando se aplicaron pulsos de corriente de nanosegundos en una pared de dominio, lo que lo obligó a moverse a lo largo de una ruta determinada.

Cada una de las paredes, hacia arriba y hacia abajo (la dirección de los vectores de magnetización), se movía a lo largo del camino actual, donde también estaban presentes las paredes de dominio Neel * controladas por vórtices de órbita giratoria.


Comparación de la pared de Neel ( a ) y la pared de Bloch ( b ).

Pared Neyel * : la magnetización en este tipo de pared gira perpendicularmente a ella, y no en su plano.

El gráfico 1f es la relación de la velocidad de la pared de dominio (vDW) y la temperatura (T). Se observa un pico significativo precisamente a 260 K, que es más alto que el TM establecido previamente.

Cabe señalar que las discrepancias entre los campos de SOW y VDM no son la razón principal del aumento en la velocidad de la pared de dominio.


Imagen No. 2a

La figura 2a muestra un análisis de la influencia del campo y la corriente en la velocidad de una pared de dominio mediante un diagrama de desplazamiento. Y vemos que en ambos casos el resultado es idéntico.

Skyrmions de ferrimagnets

Vale la pena señalar que los ferrimagnets pueden tener skyrmions mucho más pequeños que los ferromagnetos, debido a su campo de desmagnetización débil. Además, estos skyrmions existen a temperatura ambiente. Anteriormente, los tamaños de tales skyrmions estaban en el rango de 30 nm - 2 μm a temperaturas criogénicas. Los grandes tamaños de los skyrmions se explican por la fuerte interacción dipolar en estructuras multicapa, que generalmente consisten en metales pesados ​​y ferromagnetos.


Comparación de skyrmions.

La imagen a muestra el caso descrito anteriormente (estructura multicapa ferromagnética), en el que existe una dependencia directa de la energía del skyrmion (E) en su radio ®. En el caso de ferrimagnets, la capa se puede hacer mucho más delgada y no será necesario aumentar la intensidad del campo de desmagnetización (imagen b ). Los investigadores también calcularon usando RMN en un campo cero * la relación de los tamaños del skyrmion y el estado del VDM (gráfico c ).

RMN de campo cero * : resonancia magnética nuclear de campo cero , que se utiliza para analizar sustancias ordenadas magnéticamente, más precisamente, para determinar cambios en sus estructuras cristalinas o magnéticas.

El análisis mostró que el campo de desmagnetización puede desestabilizar el skyrmion VDM cuando la temperatura real está muy lejos de la temperatura de compensación de magnetización (TM) previamente establecida. En este caso, los skyrmions VDM pueden permanecer estables durante mucho tiempo a una saturación magnética (Ms) del orden de 150 kA / m ^–1 . Y esto corresponde a temperaturas mucho más altas (aproximadamente 100 K más altas TM) que en ferromagnetos multicapa.


Skyrmions capturados.

Estas conclusiones son el resultado de cálculos y simulaciones, pero se confirmaron completamente por holografía de rayos X a temperatura ambiente de la muestra Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.


Imágenes de holografía de rayos X de Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

Como se puede ver en las imágenes, se encontraron bastantes skyrmions en diferentes partes de la muestra. Los científicos también señalan que no se encontraron signos de correlación entre la posición de los skyrmions antes de la saturación y la nueva nucleación. Por ejemplo, en la imagen 5d, los cuadrados de colores marcan los lugares donde no hay skyrmions, pero estaban allí antes (imágenes 5a y 5b ). En este caso, todos los skyrmions desaparecen cuando la intensidad del campo magnético alcanza 450 mT (millitesla).

El tamaño de los skyrmions promedió 23 nm ( 5 g ). El skyrmion más pequeño tenía aproximadamente 10 nm de diámetro. Esto es importante porque este tamaño es mucho más pequeño que el observado para los skyrmions en ferromagnetos a temperatura ambiente. Los científicos explican la heterogeneidad de los tamaños de skyrmions por la anisotropía de la estructura de la muestra, es decir, por la presencia de diferencias en las propiedades dentro de una sola estructura.

También vale la pena considerar el hecho de que el tamaño de los skyrmions en las imágenes fue determinado por el contorno más grande de las áreas oscuras. De hecho, los skyrmions son aún más pequeños.

Para aquellos que deseen familiarizarse con el estudio con más detalle, les recomiendo que revisen el informe de los científicos y materiales adicionales .

Epílogo

Los investigadores pudieron demostrar que los ferromagnetos, a pesar de sus ventajas, no podrán seguir siendo monopolistas por mucho tiempo. Ferrimagnets también pueden mostrar excelentes resultados. En este caso, fue posible lograr un desplazamiento de la pared de dominio a una velocidad de 1 km / s, y el tamaño mínimo del skyrmion no tenía más de 10 nm de diámetro. Y lo más importante: todo esto a temperatura ambiente. Este último es particularmente atractivo para uso práctico. Muchos desarrollos en la etapa de investigación muestran buenos resultados solo en ciertas condiciones (temperatura, presión, humedad, diversos campos electromagnéticos y radiación, etc.), que solo pueden recrearse en el laboratorio.

Los científicos creen que los ferrimagnetos pueden convertirse en la base para futuros dispositivos espintrónicos. Al mismo tiempo, sus propiedades se pueden controlar, cambiar y ajustar a las necesidades de un dispositivo o proceso en particular. Además, esto permitirá realizar sistemas de espín antiferromagnéticos en los que el estado magnético, sin embargo, será fácilmente detectado por métodos ópticos o eléctricos.

Queda mucho por aprender. También habrá muchas dificultades. Pero todas las tecnologías y sus autores pasaron por un camino espinoso en su tiempo antes de alcanzar la perfección. Recordé un caso, no sé qué tan cierto es, pero aún así. En los días de los primeros autos, ocurrió un accidente, cuyo culpable decidió escapar de la escena. La policía lo atrapó en bicicleta. ¿Qué tenemos ahora? Coches capaces de acelerar al menos a 350 km / h. Ya hay una bicicleta para la persecución no es adecuada.

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