État de rotation «solide» dans un réseau artificiel en nid d'abeille

Dans certains cercles scientifiques, une discussion est en cours concernant la corrélation magnétique à basses températures dans un réseau nid d'abeilles magnétique artificiel bidimensionnel. Les théoriciens soutiennent qu'un tel système est capable de démontrer la formation d'un état solide avec une entropie à spin nul * . Cependant, dans la pratique, de telles propriétés n'ont pas encore été découvertes. Cette étude fait un pas confiant vers la compréhension des phénomènes ci-dessus. Ce que les chercheurs ont pu apprendre exactement, nous le comprendrons grâce à leur rapport. Allons-y.

Entropie * - en termes simples, c'est l'état d'un système dont les éléments ne sont pas ordonnés, c'est-à-dire chaotique.

Cette étude se concentre sur l'étude de la corrélation magnétique dans le réseau en nid d'abeilles en permalloy artificiel * . Les dimensions des éléments étaient d'environ 12 nm (longueur) à 5 nm (largeur) à 10 nm (épaisseur). Un indicateur important dans le processus de dérivation des résultats de l'étude était la diffusion de neutrons * et la simulation micromagnétique dépendante de la température.

Le permalloy * est un alliage de fer et de nickel aux propriétés magnétiques douces. Ces matériaux ont les propriétés d'un ferromagnétique ou ferromagnétique, et leur force coercitive (intensité du champ magnétique nécessaire à la démagnétisation complète du matériau) ne dépasse pas 4 kA / m.

Diffusion de neutrons * - sont divisés en deux types principaux: la diffusion élastique et non élastique. L'élastique vous permet d'étudier la structure du solide, du liquide et des gaz, car seule la diffusion est prise en compte lorsque les atomes ne passent pas dans un état excité. Dans le cas de la diffusion non élastique des neutrons, on peut obtenir des données sur les liaisons dans la matière par l'occurrence de processus d'excitation dans les atomes. La diffusion des neutrons est excellente pour l'analyse des matériaux magnétiques, car les neutrons ont des propriétés magnétiques et agissent comme des aimants élémentaires.

La simulation numérique de la réflectométrie * des données neutroniques polarisées explique l'évolution dépendante de la température de la corrélation de spin dans ce système.

Réflectométrie neutronique * - un faisceau de neutrons est incident sur un échantillon plat qui disperse les particules. Sous un certain angle, des observations de ces particules sont effectuées. Le spectre angulaire obtenu nous permet de déterminer les propriétés magnétiques des éléments de l'échantillon à tester.

À mesure que la température diminue jusqu'à decr7 K, le système cherche à développer un nouvel état solide de spin, qui se manifeste par la distribution alternée de courants de Foucault magnétiques * de chiralités opposées * .

Courants de Foucault * - courant électrique provenant des conducteurs lorsque le flux du champ magnétique agissant sur eux change avec le temps.

Chiralité * - asymétrie (manque de symétrie) des côtés droit et gauche d'un objet.

Les résultats des tests sont complétés par des simulations micromagnétiques dépendantes de la température, qui confirment la prédominance de l'état solide de spin sur l'état ordonné de la charge magnétique dans un réseau cellulaire artificiel. Ces données permettent d'étudier la corrélation d'un nouvel état solide de spin dans un réseau en nid d'abeilles artificiel bidimensionnel.

Bases du système et recherche

Un réseau en nid d'abeilles bidimensionnel est une base idéale pour tester de nombreuses propriétés des matériaux magnétiques, ainsi que leur interaction au sein d'un même système. Les chercheurs ont accordé une attention particulière à des choses inhabituelles telles que divers états de la matière: la glace de spin * , les liquides de spin * et le solide solide, formés par la distribution de courants de Foucault magnétiques de chiralités opposées.

La glace de spin * est une substance dans laquelle les moments magnétiques des atomes sont ordonnés de la même manière que les protons dans la glace ordinaire.

Le liquide de rotation * est un état de systèmes où le mot «liquide» est utilisé pour souligner le fait de spins désordonnés, qui diffère de l'état de rotation ferromagnétique, tout comme l'état de l'eau (liquide) est différent de l'état de la glace (structure cristalline). La principale différence entre le fluide de spin est la préservation de cet état même aux températures les plus basses.

Un aspect important est le fait qu'une variété complexe de phases magnétiques d'entropie contrôlée, qui devrait se produire dans un réseau en nid d'abeilles artificiel en fonction de l'abaissement de la température, ne peut pas être réalisée dans le matériau d'échange.

Des études théoriques récentes suggèrent que le réseau en nid d'abeilles présente les propriétés d'un paramagnet * à haute température, correspondant à un gaz avec une charge magnétique de ± 1 et ± 3.

Paramagnet * - une substance qui peut être magnétisée par un champ magnétique externe a une susceptibilité magnétique positive, mais elle est bien inférieure à l'unité.

Lorsque la température diminue, le système passe d'un état de glace de spin, lorsque les moments magnétiques se situent sur le principe de «2 entrées et 1 sortie» ou «1 entrées et 2 sorties». C'est-à-dire que 2 moments magnétiques (ou 1 dans le deuxième mode de réalisation) sont dirigés à l'intérieur de la cellule du réseau en nid d'abeilles, et 1 moment (ou 2 dans le deuxième mode de réalisation) est dirigé vers l'extérieur.

Une nouvelle baisse de température conduit à la formation d'un nouveau régime de commande, caractérisé par un «ordre de charge» topologique avec une charge magnétique de ± 1. ( Image n ° 3 ).

Dans ce cas, il est prévu que la quantité de chaleur correspondra à la force de l' interaction dipolaire * (≈D).

Interaction dipolaire * - l'interaction de deux dipôles magnétiques (la limite d'une boucle fermée d'un courant électrique ou d'une paire d'avantages, car la taille de la source est réduite à zéro, tout en maintenant un moment magnétique constant).

À des températures beaucoup plus basses, le système entre dans un état de rotation des courants de Foucault avec une entropie nulle, ce qui peut être brièvement appelé l'état d'un solide de spin. Il s'agit d'une nouvelle phase magnétique avec une entropie et une aimantation nulles.


Image n ° 3 (pour faciliter la visualisation affichée ici et ci-après)

Une étude détaillée des paramètres de la réflectométrie neutronique polarisée et de la diffusion neutronique aux petits angles * a révélé la formation d'une dispersion magnétique supplémentaire à partir de corrélations dans le plan avec une diminution de la température à 7 K.

La diffusion de neutrons aux petits angles * est la diffusion élastique d'un faisceau de neutrons par les inhomogénéités d'une substance dont les dimensions dépassent la longueur d'onde de rayonnement, qui est λ = 0,1–1 nm.

La diffusion par diffusion est parfaitement déterminée par simulation numérique de la configuration de l'état solide de spin, où les moments magnétiques ainsi que les éléments de connexion du réseau en nid d'abeilles en permalloy présentent un ordre alternatif de courants de Foucault de chiralités opposées.

La formation de l'état d'un solide de spin a également été, indépendamment d'autres indicateurs, confirmée par la modélisation micromagnétique dépendante de la température, qui a montré le développement de la dépendance à la température de la corrélation de spin dans un réseau en nid d'abeilles avec les mêmes dimensions de ses éléments.

À l'heure actuelle, la base des tentatives pour atteindre l'état de spin d'un solide est la méthode de lithographie par faisceau d'électrons pour la fabrication d'échantillons. Cette méthode donne des échantillons de petites tailles, mais avec de grands paramètres élémentaires. En règle générale, un réseau en nid d'abeilles de ce type indique un niveau d'énergie élevé de liaisons inter-éléments ≈104 K.

Cependant, un nouveau type de réseau en nid d'abeilles a été récemment proposé, qui consiste en de grands éléments en permalloy très minces (quelques angstroms * ) et bien séparés (longueur ≈500 nm, largeur 20-50 nm). Dans ce cas, l'énergie interélémentaire est fortement réduite.

Angström * - 1 Å = 0,1 nm.

Pour les tests, un réseau en nid d'abeille avec de très petits éléments constitutifs a été choisi, car leur petite taille en soi réduit considérablement l'énergie électrostatique d'environ 12 à 15 K.Par conséquent, cette option est la meilleure pour étudier la dépendance à la température des phases magnétiques.

Les résultats des expériences et leur analyse

Pour créer un réseau en nid d'abeilles, il a été nécessaire de synthétiser un dibloc de copolymère (composé de deux blocs appariés) à motif hexagonal et de connecter le permalloy à la surface du substrat de silicium dans un vide ultra-élevé * .

Ultra-vide poussé * - un milieu gazeux avec une très faible densité de gaz lorsque la pression est de 10 ^-9 mm Hg et ci-dessous.

Des modèles de copolymère dibloc similaires ont également été utilisés pour créer des matériaux nanostructurés.

Dans des conditions physiques appropriées, le copolymère dibloc est susceptible de s'auto-organiser, tandis qu'un échantillon monocomposant créera de grandes structures périodiques.

La simplicité d'ajustement des propriétés structurelles et des paramètres de réseau en modifiant la composition et / ou le poids moléculaire du copolymère dibloc permet de créer de nombreux nanomatériaux. Un exemple frappant est la création de nano-points, nano-anneaux et nœuds de nanoparticules.

Relativement récemment, les modèles de dibloc en conjonction avec le GLAD (dépôt d'angle de regard) ont permis la création de structures hiérarchiques directionnelles de nanoparticules métalliques.


Image n ° 1a

L'image ci-dessus ( 1a ) montre une photographie d'un échantillon de réseau cellulaire pris par un microscope à force atomique * .

Microscope à force atomique * - vous permet de déterminer la topographie de surface avec une résolution jusqu'à atomique.

Les mesures obtenues par diffusion de rayons X aux petits angles en incidence glissante (GISAS) ont montré une haute qualité des structures d'échantillons. Le GISAS offre l'occasion d'examiner plus en détail les caractéristiques structurelles du système. Pour de telles mesures, une source Ga K _α * avec une longueur d'onde de 1,34 Å et un angle d'incidence de 0,15 ° a été utilisée.

Notation Zigban * - en spectroscopie aux rayons X est utilisé pour nommer les raies spectrales (une caractéristique de la section spectrale, qui se manifeste par une diminution ou une augmentation locale du niveau du signal).

Pour atténuer le faisceau réfléchi, un film d'acier inoxydable de 1 mm d'épaisseur a été utilisé.


Image # 1b

Dans l'image ci-dessus ( 1b ), on voit que la longueur de liaison = 12 nm, la largeur = 5 nm et la ségrégation du réseau = 31 nm.

Les deuxième et troisième pics correspondent à un réseau hexagonal bidimensionnel. Il est également à noter que les pics d'ordre supérieur se chevauchent avec le fond dans les données, ce qui résulte de l'hétérogénéité possible de l'échantillon. Les tailles des éléments constitutifs du réseau varient dans les limites de 12 × 5 nm nécessaires à la recherche. Cependant, ces écarts n'ont pas une forte influence, car même l'énergie interélémentaire change très peu (de moins de 2 K avec des changements dimensionnels de 2 nm).

La modélisation des données GISAXS a confirmé la présence d'un grand domaine (région) d'ordre structurel à longue portée dans le réseau en nid d'abeilles (longueur de corrélation paracristalline = 250 nm).

Afin d'étudier la corrélation entre les moments magnétiques et les éléments cellulaires, des expériences ont été menées avec des neutrons polarisés, à savoir la réflectométrie, ainsi que GISAXS. La combinaison de ces procédures nous a permis d'étudier la corrélation magnétique dans le réseau en nid d'abeilles à une échelle de 5 nm à 10 μm.


Image n ° 2

La figure 2 montre les indices de mesure de différentes intensités de réflexion pour les neutrons dans les états de spin up et spin down, ainsi qu'à une température de 300 K et 7 K.
L'axe des y représente le vecteur de diffusion à l'extérieur du plan (formule n ° 1). La différence entre les composantes z des vecteurs d'onde incidente et sortante (formule n ° 2) est affichée par l'axe x.


Formules n ° 1 et n ° 2

Ainsi, les directions verticale et horizontale correspondent à des corrélations à l'extérieur du plan et à l'intérieur du plan. La réflexion correspond à x = 0. Une nette différence est visible entre la diffusion à haute et basse température.

À une température de T = 300 K, l'intensité de réflexion est plus de 2 ordres de grandeur plus forte que dans le cas de données non miroir, ce qui est très courant pour de tels systèmes.

Une légère diffusion dans les régions non miroir est également observée, causée par la nature paramagnétique du moment et la structure en nid d'abeille en tant que telle.

Lorsque la température de l'échantillon a été réduite à 7 K, le signal non miroir a considérablement augmenté. Par conséquent, le faisceau miroir ne pouvait pas être distingué d'un arrière-plan non miroir. Si l'on tient compte du fait que la structure nucléaire ne subit pas de changements importants dus au refroidissement, cet effet ne peut s'expliquer que par des changements dans les caractéristiques magnétiques du système.

Une large bande le long de l'axe horizontal dans les graphiques de réflectométrie neutronique à une température de 7K indique le développement de corrélations magnétiques dans le plan du réseau cellulaire (Image n ° 2).

Pour une analyse approfondie de la structure magnétique de l'échantillon, les données obtenues expérimentalement sont comparées à celles obtenues par des calculs basés sur une base théorique qui a permis de prédire l'état des phases magnétiques, en particulier l'état paramagnétique, ainsi que la glace de spin (glace-1), chargée ordonnée configuration (glace-2) et spin solide. Tout cela est illustré dans l'image n ° 3.


Image n ° 3

Pour simuler divers états magnétiques, l'approximation de Born avec ondes déformées (DWBA) a été utilisée.

Comme on peut le voir sur les graphiques inférieurs de l'image n ° 2, la diffusion de la lumière ne coïncide pas avec l'ampleur de la corrélation spin-spin. La différence entre la glace-2 et le spin d'un solide est assez faible, bien que les indices correspondent à des données expérimentales sur les spins d'un solide. Comme mentionné précédemment, l'état de spin d'un solide a été atteint en alternant des courants de Foucault de différentes chiralités.

Les expériences ont montré que l'énergie inter-éléments dans le réseau artificiel en nid d'abeilles est d'environ 12 K. Cet indicateur est extrêmement important pour la formation d'un état ordonné magnétique chargé, suivi de l'état d'un solide, lorsque la température chute à 0 K.En conclusion, l'augmentation d'intensité observée correspond pleinement à la prévision calculs du comportement de l'échantillon.


Image n ° 4

Le long de l'axe Q _y , les modèles de la gamme Q _z = 0,025 ^{-1 -1} ... 0,045 ^{-1 -1} montrés dans l'image n ° 3 et les données calculées montrées dans l'image n ° 4 ont été combinés. À 300 K, un saut visible est observé près de Q _y = 0,02 Å ^-1 , ce qui correspond à la structure du noyau, ainsi qu'une diffusion complète à l'état de gaz ou de glace-1. Avec une diminution de la température à 7 K dans la région de Q _y = 0,012 Å ^-1 , une intensité supplémentaire s'est formée qui correspond à l'état de glace-2 et / ou à l'état de rotation d'un solide.

Cependant, pour que l'échantillon démontre l'état de la glace-2, à Q _y = 0,025 Å ^-1 , une intensité finale doit être observée, ce qui n'est pas dans les données calculées.

En conséquence, le profil d'intensité semble très limité, bien qu'il corresponde aux profils prédits par les calculs pour l'état de spin d'un solide et pour un état mixte (solide / glace).


Image n ° 5

Ci-dessus sont les résultats de la modélisation micromagnétique dépendante de la température à des températures de 0 K, 100 K, 200 K et 300 K. Chacun d'eux montre des différences qualitatives dans les courbes d'hystérésis magnétique.

La conclusion des chercheurs

Une étude expérimentale de la corrélation du magnétisme et d'une diminution de la température d'un réseau artificiel en nid d'abeilles a montré l'apparition d'un état de spin d'un solide. Cela devient possible lorsque la température descend en dessous de l'énergie inter-éléments, soit environ 12 K. Cet état est unique pour une structure bidimensionnelle. Contrairement aux systèmes tridimensionnels, de fortes fluctuations de l'ordre magnétique limitent la possibilité d'un ordre magnétique dans les structures de faible dimension. Il convient également de noter que la théorie des ondes de spin est applicable à des systèmes bidimensionnels similaires uniquement à basse température.

Je vous recommande fortement de lire le rapport des chercheurs, disponible ici.

Épilogue

Cette étude est un outil pour comprendre les propriétés des aimants de faible dimension, la relation entre l'état de spin et la température, ainsi que les caractéristiques magnétiques d'un réseau artificiel en nid d'abeilles. Dans une large mesure, les travaux des chercheurs portent des résultats théoriques, étayés par des données obtenues expérimentalement. Il s'avère que les résultats de ces expériences n'ont aucune application pratique? Cette affirmation est à la fois vraie et non. Ces études visent à comprendre les diverses propriétés de divers matériaux. Après avoir reçu les réponses aux questions posées par les chercheurs, il est possible d'élargir le spectre de la base théorique, ce qui permettra à l'avenir de décrire plus en détail non seulement les propriétés, mais aussi les domaines d'application possibles des caractéristiques nouvellement découvertes d'un système particulier. Cette étude peut être exagérée pour s'appeler une goutte dans la tasse de connaissances, remplissant que nous pouvons découvrir de nouvelles technologies et améliorer celles existantes.

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