Moins ne signifie pas pire: skyrmions et murs de domaine dans les ferromagnétiques

Vous avez probablement entendu plus d'une fois que quelqu'un a fait le plus gros gâteau du monde ou la plus grande pizza ou le plus gros hamburger. Ces enregistrements sont drôles, parfois très drôles, et dans le cas des options ci-dessus, ils sont également savoureux. Mais ils ne sont pas utiles. Le monde scientifique aime également établir des records de la taille de quelque chose, mais récemment diamétralement opposé. Des chercheurs du monde entier tentent d'utiliser les plus petits objets au profit de l'humanité et de la technologie. Aujourd'hui, nous parlerons de la possibilité d'utiliser des murs de domaine et des skyrmions à l'intérieur d'un ferrimagnet pour stocker et transmettre des informations. Dire que ces «porteurs» sont petits revient à exagérer fortement. Comment et comment cela fonctionne-t-il, quelles sont les perspectives pour cette étude et pourquoi exactement les ferrimagnets? Nous chercherons des réponses dans le rapport du groupe de recherche. Allons-y.

La base théorique de l'étude

Tout d'abord, il convient de noter que la plupart des études, qui sont basées sur le magnétisme et ses aspects d'une manière ou d'une autre, utilisent principalement un ferromagnet plutôt qu'un ferrimagnet. Une lettre dans un mot change en fait non seulement le nom, mais toute l'essence.

Un ferromagnet est ce que nous observons le plus souvent. Si vous avez un aimant accroché à votre réfrigérateur lors de vos dernières vacances, sachez qu'il est là à cause du ferromagnétisme. Un ferromagnet est une substance qui est aimantée sans l'utilisation d'un champ magnétique externe et à une température inférieure au point de Curie. Si nous parlons de la température ambiante, alors 4 substances ont des propriétés ferromagnétiques: le nickel (Ni), le fer (Fe), le cobalt (Co) et le ruthénium (Ru) .


Aimants en néodyme (terre rare néodyme + fer + bore) contre un smartphone. Les personnes atteintes de nomophobie, veuillez ne pas regarder.

Dès que nous changerons la lettre «o» en «et», nous obtiendrons un type de substance complètement nouveau. Les ferrimagnets sont quelque peu similaires à leurs frères de ferromagnétiques, au moins les deux caractéristiques magnétiques s'appliquent à chacun d'eux, et tous les deux "travaillent" à une température inférieure au point de Curie. La différence la plus importante est le fait que dans les ferrimagnétiques, les moments magnétiques des atomes des sous-réseaux sont antiparallèles. Pourquoi En fait, les ferrimagnets sont un cocktail de plusieurs éléments chimiques, et non un seul, comme dans les ferromagnétiques. De ce fait, ils sont constitués de plusieurs sous-réseaux dont la structure diffère soit par le nombre d'atomes soit par leur origine (différents éléments chimiques). Les ferrites, qui sont à base d'oxyde de fer (Fe ₂ O ₃ ), sont les principaux propriétaires des caractéristiques ferrimagnétiques.


Comparaison de la direction des moments magnétiques d'un ferromagnet ( a ) et d'un ferrimagnet ( b ).

Et maintenant, regardons de plus près et essayons de comprendre ce que sont ces murs de domaine.

Ainsi, un mur de domaine est presque littéralement un mur entre deux domaines magnétiques, une sorte d'entité ou de point frontière. Poursuivant la dernière analogie, ces domaines magnétiques comme la Corée du Nord et la Corée du Sud, c'est-à-dire sont opposés. Plus précisément, ils ont des directions d'aimantation différentes.


Domaines magnétiques: les zones noires et blanches diffèrent dans la direction des vecteurs de leurs moments magnétiques.

Le domaine, s'il n'est pas approfondi, fait partie d'un cristal magnétique, une région microscopique dans laquelle les vecteurs de magnétisation sont strictement ordonnés par rapport aux vecteurs de la région voisine.

Afin de ne pas répéter, vous pouvez trouver une explication de ce qu'est un skyrmion magnétique dans l'un des articles précédents . Je dirai seulement brièvement qu'il s'agit d'une sorte d'entonnoir de spins atomiques, qui porte le nom du physicien Tony Skyrme.


Image a - skyrmion «hérisson», b - skyrmion en spirale.

Nous avons un peu compris la théorie, voyons maintenant ce que nos héros ont caché de tout cela.

L'essence de l'étude

Ci-dessus, nous avons examiné les ferromagnets et les ferrimagnets, ainsi que leurs différences pour une raison. Les chercheurs pensent que même si les ferromagnets ont des caractéristiques et des propriétés étonnamment utiles, ils sont toujours limités en vitesse et en taille, plus précisément, ils peuvent être utilisés pour transférer des données plus lentement, et chaque bit sera "plus grand" que si des ferrimagnets sont utilisés. Cela semble très prometteur, mais nécessite une preuve. Ce que les scientifiques ont fait dans cette étude.

La base matérielle de l'expérience était le composé Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx, plus précisément un film mince de celui-ci.


Image n ° 1

Pour commencer, les chercheurs ont décidé d'étudier la statique et la dynamique de la structure de spin du Gd ₄₄ Co ₅₆ (image 1a ), qui est un alliage ferrimagnétique amorphe. Les sous-réseaux couplés antiferromagnétiquement de cet alliage ont un facteur g similaire, par conséquent, TA (température de compensation de moment angulaire) est très proche de TM (température de compensation d'aimantation).

Comme nous le savons déjà, le protagoniste des expériences était Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. L'épaisseur du film de chaque composant était la suivante: Ta - 1 nm; Pt - 6 nm; Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 nm; TaOx - 3 nm. Tous les films ont été magnétisés perpendiculairement et déposés sur un substrat Si / SiO ₂ par pulvérisation cathodique.

La couche inférieure (Pt) était la principale source de tourbillons en orbite tournante (ci - après dénommée SOW ) et générait constamment une forte interaction Dzyaloshinsky-Morii (ci-après VDM ), qui est responsable de faibles manifestations de ferromagnétisme dans les diélectriques antiferromagnétiques. La couche supérieure (TaOx) est protectrice.

Sur le graphique 1b, en fonction de la dépendance à la température, deux indicateurs sont représentés: la force coercitive (carrés) nécessaire à la démagnétisation complète d'un ferrimagnet (ou ferromagnet) et la saturation magnétique (cercles). Le premier indicateur a été obtenu par la méthode de la magnétométrie vibrationnelle, et le second par la méthode de polarimétrie de l'effet Kerr magnéto-optique.

Grâce aux données obtenues ( 1s et 1d ), il a été constaté que TM est d'environ 240 K (kelvin), car une hystérésis de l'effet Kerr magnéto-optique est observée.

Grâce à la microscopie à champ large Kerr, des études du mouvement de la paroi du domaine ont été réalisées. La figure 1 montre plusieurs images lorsque des impulsions de courant de nanosecondes ont été appliquées sur une paroi de domaine, la forçant à se déplacer le long d'une route donnée.

Chacune des parois, de haut en bas et de haut en bas (la direction des vecteurs de magnétisation), se déplaçait le long du chemin actuel, où des murs du domaine de Neel * contrôlés par des tourbillons en orbite tournante étaient également présents.


Comparaison de la paroi de Neel ( a ) et de la paroi de Bloch ( b ).

Mur de Neyel * - l'aimantation dans ce type de mur tourne perpendiculairement à lui, et non dans son plan.

Le graphique 1f est le rapport de la vitesse de la paroi du domaine (vDW) et de la température (T). Un pic significatif est observé précisément à 260 K, ce qui est supérieur à la TM établie précédemment.

Il convient de noter que les écarts entre les champs de SOW et de VDM ne sont pas la principale raison de l'augmentation de la vitesse de la paroi du domaine.


Image n ° 2a

La figure 2a montre une analyse de l'influence du champ et du courant sur la vitesse d'une paroi de domaine au moyen d'un diagramme de fluage. Et on voit que dans les deux cas le résultat est identique.

Skyrmions de ferrimagnets

Il convient de noter que les ferrimagnétiques peuvent avoir des skyrmions beaucoup plus petits que les ferromagnétiques, en raison de leur faible champ de démagnétisation. De plus, ces skyrmions existent à température ambiante. Auparavant, les tailles de ces skyrmions étaient de l'ordre de 30 nm à 2 μm à des températures cryogéniques. Les grandes tailles des skyrmions s'expliquent par la forte interaction dipolaire dans les structures multicouches, généralement constituées de métaux lourds et d'aimants ferromagnétiques.


Comparaison des skyrmions.

L'image a montre le cas décrit ci-dessus (structure multicouche ferromagnétique), dans lequel il y a une dépendance directe de l'énergie du skyrmion (E) de son rayon ®. Dans le cas des ferrimagnétiques, la couche peut être rendue beaucoup plus mince et il ne sera pas nécessaire d'augmenter la force du champ de démagnétisation (image b ). Les chercheurs ont également calculé en utilisant la RMN dans un champ nul * le rapport des tailles du skyrmion et de l'état du VDM (graphique c ).

RMN à champ nul * - Résonance magnétique nucléaire à champ nul, qui est utilisée pour analyser les substances magnétiquement ordonnées, plus précisément, pour déterminer les changements dans leurs structures cristallines ou magnétiques.

L'analyse a montré que le champ de démagnétisation peut déstabiliser le skyrmion VDM lorsque la température réelle est très éloignée de la température de compensation de magnétisation (TM) précédemment définie. Dans ce cas, les skyrmions VDM peuvent rester stables longtemps à une saturation magnétique (Ms) de l'ordre de 150 kA / m ^–1 . Et cela correspond à des températures beaucoup plus élevées (environ 100 K plus élevées TM) que dans les ferromagnétiques multicouches.


Skyrmions capturés.

Ces conclusions sont le résultat de calculs et de simulations, mais elles ont été entièrement confirmées par l'holographie aux rayons X à température ambiante de l'échantillon Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.


Images d'holographie aux rayons X de Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

Comme on peut le voir sur les images, un grand nombre de skyrmions ont été trouvés dans différentes parties de l'échantillon. Les scientifiques notent également qu'aucun signe de corrélation n'a été trouvé entre la position des skyrmions avant saturation et re-nucléation. Par exemple, dans l'image 5d, des carrés colorés marquent les endroits où il n'y a pas de skyrmions, mais ils étaient là plus tôt (images 5a et 5b ). Dans ce cas, tous les skyrmions disparaissent lorsque la force du champ magnétique atteint 450 mT (millitesla).

La taille des skyrmions était en moyenne de 23 nm ( 5 g ). Le plus petit skyrmion avait un diamètre d'environ 10 nm. Ceci est important car cette taille est beaucoup plus petite que ce qui est observé pour les skyrmions dans les ferromagnétiques à température ambiante. Les scientifiques expliquent l'hétérogénéité des tailles des skyrmions par l'anisotropie de la structure de l'échantillon, c'est-à-dire par la présence de différences de propriétés au sein d'une même structure.

Il convient également de considérer le fait que la taille des skyrmions dans les images a été déterminée par le plus grand contour des zones sombres. En fait, les skyrmions sont encore plus petits.

Pour ceux qui souhaitent se familiariser avec l'étude plus en détail, je vous recommande de consulter le rapport des scientifiques et les matériaux supplémentaires .

Épilogue

Les chercheurs ont pu montrer que les ferromagnétiques, malgré leurs avantages, ne pourront pas rester longtemps monopoleurs. Les ferrimagnets sont également capables d'afficher d'excellents résultats. Dans ce cas, il était possible d'obtenir un déplacement de la paroi du domaine à une vitesse de 1 km / s, et la taille minimale du skyrmion n'était pas supérieure à 10 nm de diamètre. Et le plus important - tout cela à température ambiante. Ce dernier est particulièrement attractif pour une utilisation pratique. De nombreux développements au stade de la recherche ne donnent de bons résultats que dans certaines conditions (température, pression, humidité, divers champs électromagnétiques et radiations, etc.), qui ne peuvent être recréées qu'en laboratoire.

Les scientifiques pensent que les ferrimagnets peuvent devenir la base de futurs dispositifs spintroniques. En même temps, leurs propriétés peuvent être contrôlées, modifiées et ajustées aux besoins d'un appareil ou d'un processus particulier. De plus, cela permettra de réaliser des systèmes de spin antiferromagnétiques dans lesquels l'état magnétique sera néanmoins facilement détecté par des méthodes optiques ou électriques.

Il reste encore beaucoup à apprendre. Il y aura également de nombreuses difficultés. Mais toutes les technologies et leurs auteurs sont passés par un chemin épineux en leur temps avant d'atteindre la perfection. Je me suis souvenu d'un cas, je ne sais pas à quel point il est vrai, mais quand même. Aux jours des premières voitures, un accident s'est produit, dont le coupable a décidé de s'échapper de la scène. La police l'a attrapé à vélo. Qu'avons-nous maintenant? Voitures capables d'accélérer à au moins 350 km / h. Il y a déjà un vélo pour la poursuite qui ne convient pas.

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