Lebih sedikit tidak berarti lebih buruk: langit dan dinding domain di ferromagnet

Anda mungkin pernah mendengar lebih dari sekali bahwa seseorang membuat kue terbesar di dunia atau pizza terbesar atau burger terbesar. Catatan-catatan ini lucu, kadang-kadang sangat lucu, dan dalam kasus opsi di atas juga enak. Tetapi mereka tidak berguna. Dunia ilmiah juga suka membuat catatan dalam ukuran sesuatu, tetapi baru-baru ini secara diametris menentang. Peneliti dari seluruh dunia mencoba menggunakan benda terkecil untuk kepentingan kemanusiaan dan teknologi. Hari ini kita akan berbicara tentang prospek penggunaan dinding domain dan skyrmion di dalam ferrimagnet untuk menyimpan dan mengirimkan informasi. Mengatakan bahwa "pembawa" ini kecil berarti membesar-besarkan. Apa dan bagaimana cara kerjanya, bagaimana prospek penelitian ini, dan mengapa ferrimagnet? Kami akan mencari jawaban dalam laporan kelompok penelitian. Ayo pergi.

Dasar teori penelitian

Pertama-tama, perlu dicatat bahwa sebagian besar studi, yang didasarkan pada magnetisme dan aspek-aspeknya dalam satu atau lain cara, sebagian besar menggunakan feromagnet daripada ferrimagnet. Satu huruf dalam sebuah kata sebenarnya tidak hanya mengubah nama, tetapi seluruh esensi.

Feromagnet adalah yang paling sering kita amati. Jika Anda memiliki magnet yang tergantung di kulkas Anda dari liburan terakhir Anda, Anda harus tahu bahwa magnet itu ada di sana karena feromagnetisme. Feromagnet adalah zat yang bermagnet tanpa menggunakan medan magnet luar dan pada suhu di bawah titik Curie. Jika kita berbicara tentang suhu kamar, maka 4 zat memiliki sifat feromagnetik: nikel (Ni), besi (Fe), kobalt (Co) dan ruthenium (Ru) .


Magnet neodymium (neodymium tanah jarang + besi + boron) terhadap smartphone. Orang dengan nomofobia, tolong jangan menonton.

Segera setelah kita mengubah huruf "o" menjadi "dan", kita akan mendapatkan jenis zat yang sama sekali baru. Ferrimagnet agak mirip dengan feromagnet saudara mereka, setidaknya kedua karakteristik magnetik berlaku untuk mereka berdua, dan keduanya "bekerja" pada suhu di bawah titik Curie. Perbedaan yang paling penting adalah kenyataan bahwa dalam ferrimagnet momen magnetik dari atom dari sublattis bersifat antiparalel. Kenapa begitu Faktanya, ferrimagnet adalah campuran beberapa unsur kimia, dan bukan satu, seperti feromagnet. Karena ini, mereka terdiri dari beberapa sublattis, struktur yang berbeda dalam jumlah atom atau asal-usulnya (elemen kimia yang berbeda). Utama di antara pemilik fitur ferrimagnetic adalah ferrites, yang didasarkan pada oksida besi (Fe ₂ O ₃ ).


Perbandingan arah momen magnetik feromagnet ( a ) dan ferrimagnet ( b ).

Dan sekarang mari kita melihat lebih dalam dan mencoba memahami apa itu dinding domain.

Jadi, dinding domain hampir secara harfiah adalah dinding antara dua domain magnetik, semacam fitur atau titik perbatasan. Melanjutkan analogi terakhir, domain-domain magnetis seperti Korea Utara dan Selatan, yaitu, saling bertolak belakang. Lebih tepatnya, mereka memiliki arah magnetisasi yang berbeda.


Domain magnetik: area hitam dan putih berbeda dalam arah vektor momen magnetiknya.

Domain, jika tidak diperdalam, adalah bagian dari kristal magnetik, wilayah mikroskopis di mana vektor magnetisasi secara ketat dipesan sehubungan dengan vektor di wilayah tetangga.

Agar tidak mengulangi lagi, Anda dapat menemukan penjelasan tentang apa yang dimaksud dengan skyrmion magnetik di salah satu artikel sebelumnya . Saya hanya akan mengatakan secara singkat bahwa ini adalah semacam corong putaran atom, yang dinamai sesuai dengan fisikawan Tony Skyrme.


Gambar a - skyrmion "landak", b - spiral skyrmion.

Kami sedikit memahami teorinya, sekarang mari kita lihat apa yang dibutakan pahlawan kita dari semua ini.

Inti dari penelitian ini

Di atas, kami memeriksa feromagnet dan ferrimagnet, serta perbedaannya karena suatu alasan. Para peneliti percaya bahwa walaupun ferromagnet secara mengejutkan memiliki karakteristik dan sifat yang berguna, mereka masih terbatas dalam kecepatan dan ukuran, lebih tepatnya, mereka dapat digunakan untuk mentransfer data lebih lambat, dan setiap bit akan "lebih besar" daripada jika ferrimagnet digunakan. Kedengarannya sangat menjanjikan, tetapi membutuhkan bukti. Apa yang dilakukan para ilmuwan dalam penelitian ini.

Basis bahan percobaan adalah senyawa Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx, lebih tepatnya, film tipis darinya.


Gambar No. 1

Pertama-tama, para peneliti memutuskan untuk mempelajari statika dan dinamika struktur putaran Gd ₄₄ Co ₅₆ (gambar 1a ), yang merupakan paduan ferrimagnetik amorf. Subkisi yang digabungkan secara antiferromagnetik dari paduan ini memiliki faktor-g yang sama, oleh karena itu, TA (suhu kompensasi momentum sudut) sangat dekat dengan TM (suhu kompensasi magnetisasi).

Seperti yang telah kita ketahui, protagonis dari percobaan adalah Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. Ketebalan film dari masing-masing komponen adalah sebagai berikut: Ta - 1 nm; Pt - 6 nm; Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 nm; TaOx - 3 nm. Semua film secara magnetis tegak lurus dan diendapkan ke substrat Si / SiO ₂ dengan sputtering.

Lapisan bawah (Pt) adalah sumber utama vortisitas spin-orbit (selanjutnya disebut SOW ) dan secara konstan menghasilkan interaksi Dzyaloshinsky-Morii yang kuat (selanjutnya VDM ), yang bertanggung jawab atas manifestasi lemah ferromagnetisme dalam dielektrik antiferromagnetik. Lapisan atas (TaOx) adalah pelindung.

Pada grafik 1b, sebagai fungsi suhu, dua indikator ditunjukkan: gaya koersif (kuadrat) yang diperlukan untuk demagnetisasi lengkap ferrimagnet (atau ferromagnet) dan saturasi magnetik (lingkaran). Indikator pertama diperoleh dengan metode magnetometry getaran, dan yang kedua dengan metode polarimetri dari efek Kerr magneto-optik.

Berkat data yang diperoleh ( 1c dan 1d ), ditemukan bahwa TM sekitar 240 K (kelvin), karena histeresis dari efek Kerr magneto-optik diamati.

Melalui mikroskopi Kerr lapangan luas, studi tentang pergerakan dinding domain dilakukan. Gambar 1 menunjukkan beberapa gambar ketika pulsa arus nanodetik diterapkan pada dinding domain, memaksanya untuk bergerak di sepanjang rute yang diberikan.

Masing-masing dinding, naik-turun dan turun-naik (arah vektor magnetisasi), bergerak di sepanjang jalur saat ini, di mana dinding domain Neel * yang dikendalikan oleh vortisitas spin-orbit juga ada.


Perbandingan dinding Neel ( a ) dan dinding Bloch ( b ).

Dinding Neyel * - magnetisasi pada jenis dinding ini berputar tegak lurus terhadapnya, dan bukan pada bidangnya.

Grafik 1f adalah rasio kecepatan dinding domain (vDW) dan suhu (T). Puncak signifikan diamati tepat pada 260 K, yang lebih tinggi dari TM yang telah ditetapkan sebelumnya.

Perlu dicatat bahwa perbedaan antara bidang SOW dan VDM bukan alasan utama untuk peningkatan kecepatan dinding domain.


Gambar No. 2a

Gambar 2a menunjukkan analisis pengaruh medan dan arus terhadap kecepatan dinding domain melalui diagram creep. Dan kita melihat bahwa dalam kedua kasus hasilnya sama.

Skyrmions dari ferrimagnets

Perlu dicatat bahwa ferrimagnet dapat memiliki skyrmions jauh lebih kecil daripada ferromagnet, karena medan demagnetisasi yang lemah. Selain itu, skyrmions ini ada pada suhu kamar. Sebelumnya, ukuran skyrmions tersebut berada di kisaran 30 nm - 2 μm pada suhu cryogenic. Ukuran besar skyrmions dijelaskan oleh interaksi dipol yang kuat dalam struktur multilayer, biasanya terdiri dari logam berat dan ferromagnet.


Perbandingan skyrmions.

Gambar a menunjukkan case yang dijelaskan di atas (struktur multilayer feromagnetik), di mana terdapat ketergantungan langsung energi skyrmion (E) pada radiusnya ®. Dalam kasus ferrimagnet, lapisan dapat dibuat lebih tipis, dan tidak perlu meningkatkan kekuatan medan demagnetisasi (gambar b ). Para peneliti juga menghitung menggunakan NMR dalam bidang nol * rasio ukuran langit dan keadaan VDM (grafik c ).

Zero-field NMR * - resonansi magnetik nuklir medan -nol , yang digunakan untuk menganalisis zat yang dipesan secara magnetis, lebih tepatnya, untuk menentukan perubahan kristal atau struktur magnetiknya.

Analisis menunjukkan bahwa medan demagnetisasi dapat mengacaukan skyrmion VDM ketika suhu sebenarnya sangat jauh dari suhu kompensasi magnetisasi yang ditetapkan sebelumnya (TM). Dalam hal ini, skyrmion VDM dapat tetap stabil untuk waktu yang lama pada saturasi magnetik (Ms) dari urutan 150 kA / m ^–1 . Dan ini sesuai dengan suhu yang jauh lebih tinggi (sekitar 100 K lebih tinggi TM) daripada feromagnet multilayer.


Skyrmions yang ditangkap.

Kesimpulan ini adalah hasil perhitungan dan simulasi, tetapi mereka sepenuhnya dikonfirmasi oleh holografik x-ray pada suhu kamar sampel Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.


Gambar holografis sinar-X dari Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

Seperti yang dapat dilihat dari gambar, cukup banyak skyrmions ditemukan di berbagai bagian sampel. Para ilmuwan juga mencatat bahwa tidak ada tanda-tanda korelasi yang ditemukan antara posisi skyrmions sebelum kejenuhan dan re-nukleasi. Misalnya, dalam gambar 5d, kotak berwarna menandai tempat-tempat di mana tidak ada skyrmions, tetapi mereka ada di sana sebelumnya (gambar 5a dan 5b ). Dalam hal ini, semua skyrmions menghilang ketika kekuatan medan magnet mencapai 450 mT (millitesla).

Ukuran skyrmions rata-rata 23 nm ( 5g ). Skyrmion terkecil berdiameter sekitar 10 nm. Ini penting karena ukuran ini jauh lebih kecil daripada yang diamati untuk skyrmions dalam ferromagnet pada suhu kamar. Para ilmuwan menjelaskan heterogenitas ukuran skyrmions oleh anisotropi struktur sampel, yaitu, dengan adanya perbedaan sifat dalam satu struktur tunggal.

Perlu juga mempertimbangkan fakta bahwa ukuran skyrmions dalam gambar ditentukan oleh kontur terbesar dari area gelap. Bahkan, skyrmions bahkan lebih kecil.

Mereka yang ingin membiasakan diri dengan studi ini secara lebih rinci, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog

Para peneliti dapat menunjukkan bahwa feromagnet, terlepas dari kelebihannya, tidak akan dapat tetap monopolist dalam waktu lama. Ferrimagnet juga dapat menunjukkan hasil yang sangat baik. Dalam hal ini, adalah mungkin untuk mencapai perpindahan dinding domain pada kecepatan 1 km / s, dan ukuran minimum skyrmion tidak lebih dari diameter 10 nm. Dan yang paling penting - semua ini pada suhu kamar. Yang terakhir ini sangat menarik untuk penggunaan praktis. Banyak perkembangan pada tahap penelitian menunjukkan hasil yang baik hanya dalam kondisi tertentu (suhu, tekanan, kelembaban, berbagai medan elektromagnetik dan radiasi, dll.), Yang hanya dapat dibuat kembali di laboratorium.

Para ilmuwan percaya bahwa ferrimagnet dapat menjadi dasar bagi perangkat spintronik masa depan. Pada saat yang sama, sifat-sifatnya dapat dikontrol, diubah, dan disesuaikan dengan kebutuhan perangkat atau proses tertentu. Selain itu, ini akan memungkinkan untuk mewujudkan sistem putaran antiferromagnetik di mana keadaan magnet akan mudah dideteksi dengan metode optik atau listrik.

Masih banyak yang harus dipelajari. Akan ada banyak kesulitan juga. Tetapi semua teknologi dan penulisnya melewati jalan yang sulit di masa mereka sebelum mencapai kesempurnaan. Saya ingat satu kasus, saya tidak tahu seberapa benar dia, tapi tetap saja. Pada hari-hari mobil pertama, kecelakaan terjadi, pelakunya memutuskan untuk melarikan diri dari tempat kejadian. Polisi menangkapnya dengan sepeda. Apa yang kita miliki sekarang? Mobil mampu berakselerasi setidaknya 350 km / jam. Sudah ada sepeda karena pengejaran tidak cocok.

Terima kasih telah tinggal bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikannya kepada teman-teman Anda, diskon 30% untuk pengguna Habr pada analog unik dari server entry-level yang kami buat untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps dari $ 20 atau bagaimana membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps hingga Desember secara gratis ketika membayar untuk jangka waktu enam bulan, Anda dapat memesan di sini .

Dell R730xd 2 kali lebih murah? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 249 di Belanda dan Amerika Serikat! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?