Menos não significa pior: skyrmions e paredes de domínio em ferromagnetos

Você provavelmente já ouviu mais de uma vez que alguém fez o maior bolo do mundo, a maior pizza ou o maior hambúrguer. Esses registros são engraçados, às vezes muito engraçados e, no caso das opções acima, também são saborosos. Mas eles não são úteis. O mundo científico também gosta de estabelecer recordes no tamanho de algo, mas recentemente diametralmente oposto. Pesquisadores de todo o mundo estão tentando usar os menores objetos para o benefício da humanidade e da tecnologia. Hoje falaremos sobre a perspectiva de usar paredes de domínio e skyrmions dentro de um ferrimagnet para armazenar e transmitir informações. Dizer que essas "transportadoras" são pequenas é exagerar bastante. O que e como funciona, quais são as perspectivas para este estudo e por que exatamente os ferrimagnetos? Procuraremos respostas no relatório do grupo de pesquisa. Vamos lá

A base teórica do estudo

Antes de tudo, vale a pena notar que a maioria dos estudos, que são baseados no magnetismo e em seus aspectos de uma maneira ou de outra, usam principalmente um ferro-ímã em vez de um ferro-ímã. Uma letra em uma palavra realmente muda não apenas o nome, mas toda a essência.

Um ferro-ímã é o que observamos com mais frequência. Se você tem um ímã pendurado na geladeira nas últimas férias, saiba que ele fica pendurado por causa do ferromagnetismo. Um ferro-ímã é uma substância magnetizada sem o uso de um campo magnético externo e a uma temperatura abaixo do ponto de Curie. Se falamos de temperatura ambiente, quatro substâncias têm propriedades ferromagnéticas: níquel (Ni), ferro (Fe), cobalto (Co) e rutênio (Ru) .


Ímãs de neodímio (neodímio de terras raras + ferro + boro) contra um smartphone. Pessoas com nomofobia, por favor, não assista.

Assim que mudarmos a letra "o" para "e", obteremos um tipo completamente novo de substância. Os ferrimagnetos são um pouco parecidos com seus irmãos de ferromagnetos, pelo menos ambas as características magnéticas se aplicam a ambos, e ambos “trabalham” a uma temperatura abaixo do ponto Curie. A diferença mais importante é o fato de que, nos ferrimagnetos, os momentos magnéticos dos átomos dos subátomos são antiparalelos. Porque De fato, os ferrimagnetos são um coquetel de vários elementos químicos, e não um, como nos ferromagnetos. Devido a isso, eles consistem em vários subátomos, cuja estrutura difere no número de átomos ou na sua origem (diferentes elementos químicos). Os principais entre os proprietários das características ferrimagnéticas são ferritas, que são baseadas em óxido de ferro (Fe ₂ O ₃ ).


Comparação da direção dos momentos magnéticos de um ferro-ímã ( a ) e um ferro-magneto ( b ).

E agora vamos dar uma olhada mais profunda e tentar entender o que são essas paredes de domínio.

Portanto, uma parede de domínio é quase literalmente uma parede entre dois domínios magnéticos, um tipo de característica ou ponto de borda. Continuando a última analogia, esses domínios magnéticos, como a Coréia do Norte e a Coréia do Sul, são opostos. Mais precisamente, eles têm diferentes direções de magnetização.


Domínios magnéticos: áreas em preto e branco diferem na direção dos vetores de seus momentos magnéticos.

O domínio, se não aprofundado, faz parte do cristal magnético, uma região microscópica na qual os vetores de magnetização são estritamente ordenados em relação aos vetores na região vizinha.

Para não repetir novamente, você pode encontrar uma explicação sobre o que é um skyrmion magnético em um dos artigos anteriores . Vou apenas dizer brevemente que este é um tipo de funil de rotações atômicas, que recebeu o nome do físico Tony Skyrme.


Imagem a - skyrmion “ouriço”, b - skyrmion em espiral.

Nós descobrimos um pouco a teoria, agora vamos ver o que nossos heróis cegaram com tudo isso.

A essência do estudo

Acima, examinamos ferromagnetos e ferrimagnetos, bem como suas diferenças por um motivo. Os pesquisadores acreditam que, embora os ferromagnetos possuam características e propriedades surpreendentemente úteis, eles ainda são limitados em velocidade e tamanho, mais precisamente, podem ser usados ​​para transferir dados mais lentamente e cada bit será "maior" do que se os ferrimagnetos forem usados. Parece muito promissor, mas requer prova. O que os cientistas fizeram neste estudo.

A base material do experimento foi o composto Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx, mais precisamente, uma película fina a partir dele.


Imagem Nº 1

Para começar, os pesquisadores decidiram estudar a estática e dinâmica da estrutura de rotação de Gd ₄₄ Co ₅₆ (imagem 1a ), que é uma liga ferrimagnética amorfa. Os subátomos desta liga acoplados antiferromagneticamente têm um fator g semelhante; portanto, o TA (temperatura de compensação do momento angular) está muito próximo do TM (temperatura de compensação da magnetização).

Como já sabemos, o protagonista dos experimentos foi Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx. A espessura do filme de cada componente foi a seguinte: Ta - 1 nm; Pt - 6 nm; Gd ₄₄ Co ₅₆ - 6 nm; TaOx - 3 nm. Todos os filmes foram magnetizados perpendicularmente e depositados em um substrato de Si / SiO ₂ por pulverização.

A camada inferior (Pt) foi a principal fonte de vórtices de órbita de rotação (doravante denominada SOW ) e gerou constantemente forte interação Dzyaloshinsky-Morii (doravante VDM ), responsável por manifestações fracas de ferromagnetismo em dielétricos antiferromagnéticos. A camada superior (TaOx) é protetora.

No gráfico 1b, em função da dependência da temperatura, dois indicadores são mostrados: a força coercitiva (quadrados) necessária para a desmagnetização completa de um ferrimagnet (ou ferromagnet) e a saturação magnética (círculos). O primeiro indicador foi obtido pelo método da magnetometria vibracional e o segundo pelo método da polarimetria do efeito magnético-óptico de Kerr.

Graças aos dados obtidos ( 1s e 1d ), verificou-se que a MT é de aproximadamente 240 K (kelvin), uma vez que é observada uma histerese do efeito magnético-óptico de Kerr.

Através da microscopia Kerr de campo amplo, foram realizados estudos do movimento da parede do domínio. A Figura 1 mostra várias imagens quando pulsos de corrente de nanossegundo foram aplicados em uma parede de domínio, forçando-a a se mover ao longo de uma determinada rota.

Cada uma das paredes, de cima para baixo e para baixo (a direção dos vetores de magnetização), se movia ao longo do caminho atual, onde também estavam presentes as paredes do domínio Neel * controladas por vórtices de órbita de rotação.


Comparação da parede de Neel ( a ) e da parede de Bloch ( b ).

Parede Neyel * - a magnetização nesse tipo de parede gira perpendicularmente a ela, e não em seu plano.

O gráfico 1f é a razão entre a velocidade da parede do domínio (vDW) e a temperatura (T). Um pico significativo é observado precisamente a 260 K, que é mais alto que o TM estabelecido anteriormente.

Deve-se notar que as discrepâncias entre os campos de SOW e VDM não são a principal razão para o aumento da velocidade da parede do domínio.


Imagem No. 2a

A Figura 2a mostra uma análise da influência do campo e da corrente na velocidade de uma parede de domínio por meio de um diagrama de fluência. E vemos que nos dois casos o resultado é idêntico.

Skyrmions of ferrimagnets

Vale a pena notar que os ferrimagnetos podem ter skyrmions muito menores que os ferromagnetos, devido ao seu fraco campo de desmagnetização. Além disso, esses skyrmions existem à temperatura ambiente. Anteriormente, os tamanhos desses skyrmions estavam na faixa de 30 nm - 2 μm a temperaturas criogênicas. Os grandes tamanhos de skyrmions são explicados pela forte interação dipolo em estruturas multicamadas, consistindo geralmente de metais pesados ​​e ferromagnetos.


Comparação de skyrmions.

A imagem a mostra o caso descrito acima (estrutura multicamada ferromagnética), na qual existe uma dependência direta da energia skyrmion (E) em seu raio ®. No caso dos ferrimagnetos, a camada pode ser muito mais fina e não haverá necessidade de aumentar a força do campo de desmagnetização (imagem b ). Os pesquisadores também calcularam usando NMR em um campo zero * a proporção dos tamanhos do skyrmion e o estado do VDM (gráfico c ).

NMR de campo zero * - Ressonância magnética nuclear de campo zero , usada para analisar substâncias ordenadas magneticamente, mais precisamente, para determinar mudanças em suas estruturas cristalinas ou magnéticas.

A análise mostrou que o campo de desmagnetização pode desestabilizar o skyrmion VDM quando a temperatura real está muito longe da temperatura de compensação de magnetização previamente definida (TM). Nesse caso, os skyrmions do VDM podem permanecer estáveis ​​por um longo tempo na saturação magnética (Ms) da ordem de 150 kA / m ^–1 . E isso corresponde a temperaturas muito mais altas (cerca de 100 K mais altas) do que nos ferromagnetos multicamadas.


Skyrmions capturados.

Essas conclusões são o resultado de cálculos e simulações, mas foram totalmente confirmadas por holografia de raios-x à temperatura ambiente da amostra de Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.


Imagens de holografia de raios X de Pt / Gd ₄₄ Co ₅₆ / TaOx.

Como pode ser visto nas imagens, muitos skyrmions foram encontrados em diferentes partes da amostra. Os cientistas também observam que não foram encontrados sinais de correlação entre a posição dos skyrmions antes da saturação e da nucleação. Por exemplo, na imagem 5d, quadrados coloridos marcam os lugares onde não há skyrmions, mas eles estavam lá antes (imagens 5a e 5b ). Neste caso, todos os skyrmions desaparecem quando a força do campo magnético atinge 450 mT (militesla).

O tamanho dos skyrmions foi em média de 23 nm ( 5g ). O menor skyrmion tinha aproximadamente 10 nm de diâmetro. Isso é importante porque esse tamanho é muito menor do que o observado para skyrmions em ferromagnetos à temperatura ambiente. Os cientistas explicam a heterogeneidade dos tamanhos dos skyrmions pela anisotropia da estrutura da amostra, ou seja, a presença de diferenças nas propriedades dentro de uma única estrutura.

Também vale a pena considerar o fato de que o tamanho dos skyrmions nas imagens foi determinado pelo maior contorno das áreas escuras. De fato, skyrmions são ainda menores.

Para aqueles que desejam se familiarizar com o estudo com mais detalhes, recomendo que você analise o relatório de cientistas e materiais adicionais .

Epílogo

Os pesquisadores conseguiram mostrar que os ferromagnetos, apesar de suas vantagens, não serão capazes de permanecer monopolistas por muito tempo. Ferrimagnets também são capazes de mostrar excelentes resultados. Nesse caso, foi possível obter um deslocamento da parede do domínio a uma velocidade de 1 km / s, e o tamanho mínimo do skyrmion não era superior a 10 nm de diâmetro. E o mais importante - tudo isso à temperatura ambiente. Este último é particularmente atraente para uso prático. Muitos desenvolvimentos na fase de pesquisa mostram bons resultados apenas em determinadas condições (temperatura, pressão, umidade, vários campos eletromagnéticos e radiação, etc.), que só podem ser recriados em laboratório.

Os cientistas acreditam que os ferrimagnetos podem se tornar a base para futuros dispositivos spintrônicos. Ao mesmo tempo, suas propriedades podem ser controladas, alteradas e ajustadas às necessidades de um dispositivo ou processo específico. Além disso, isso tornará possível a realização de sistemas de rotação antiferromagnética nos quais o estado magnético será, no entanto, facilmente detectado por métodos ópticos ou elétricos.

Ainda há muito a ser aprendido. Também haverá muitas dificuldades. Mas todas as tecnologias e seus autores passaram por um caminho espinhoso em seu tempo antes de alcançar a perfeição. Lembrei-me de um caso, não sei quão verdadeiro ele é, mas ainda assim. Nos dias dos primeiros carros, ocorreu um acidente, cujo culpado decidiu fugir da cena. A polícia o pegou de bicicleta. O que temos agora? Carros capazes de acelerar a pelo menos 350 km / h. Já existe uma bicicleta para a perseguição não é adequada.

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