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  • 研究人员小组在加利福尼亚州,德国,瑞士和韩国的澳门太阳城最新网站材料科学和工程教授杰弗里海滩和同事们的工作,以为特色的封面 自然纳米技术 和 先进材料。

    研究人员小组在加利福尼亚州,德国,瑞士和韩国的澳门太阳城最新网站材料科学和工程教授杰弗里海滩和同事们的工作,以为特色的封面 自然纳米技术先进材料。

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  • 卢卡斯科圆(左)和伊万lemesh,研究生在材料科学与工程杰弗里海滩的澳门太阳城最新网站教授的实验室,每过一个同行评议的期刊文章封面文章在12月。他们的工作是开拓基于称为skyrmions准粒子自旋电子器件的新方向。

    卢卡斯科圆(左)和伊万lemesh,研究生在材料科学与工程杰弗里海滩的澳门太阳城最新网站教授的实验室,每过一个同行评议的期刊文章封面文章在12月。他们的工作是开拓基于称为skyrmions准粒子自旋电子器件的新方向。

    照片:丹尼斯paiste /材料研究实验室。

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可控速度快,微小的磁位

研究人员小组在加利福尼亚州,德国,瑞士和韩国的澳门太阳城最新网站材料科学和工程教授杰弗里海滩和同事们的工作,以为特色的封面 <i>自然纳米技术</i> 和 <i>先进材料。</i>

MIT的研究人员展示了如何制作和驾驶称为skyrmions于自旋电子存储设备的磁性纳米准粒子。


记者联系

丹尼斯paiste
电子邮件: dpaiste@mit.edu
电话:603-479-5600
材料研究实验室

许多现代技术的应用,如用于核磁共振成像超导线材,工程师希望尽可能摆脱电阻和生产与之配套的热量。

事实证明,但是,从电阻的位产热是在金属薄膜于自旋电子应用,如固态计算机存储器中的期望的特征。类似地,虽然缺陷往往在材料科学不合需要的,它们可以被用来控制被称为skyrmions磁性准粒子的创建。

在这一个月的期刊上发表论文分开 自然纳米技术 和 先进材料研究人员小组澳门太阳城最新网站教授的 杰弗里S.D.海滩 在加州,德国,瑞士和韩国同事,表明它们可以产生在室温下专门制定了层状材料稳定,快速移动skyrmions,对于规模和速度世界纪录。每篇论文被刊登在其各自的杂志的封面。

为研究 发表 在 先进材料中,研究人员创建的堆叠由铂的特殊制造的金属合金,这是一种重金属,钴 - 铁 - 硼,它是一种磁性材料,和镁 - 氧的15个重复层的导线。在这些层状材料,铂金属层和钴 - 铁 - 硼之间的界面创建其中skyrmions可以通过施加外部磁场垂直于沿导线的长度行进的膜和电流脉冲来形成的环境。

值得注意的是,下一个20毫特斯拉场,的磁场强度的度量,所述电线形成在室温下skyrmions。在温度高于349开尔文(168华氏度),则skyrmions形成没有外部磁场,由原材料引起的升温的效果,并且将材料冷却至室温后连skyrmions保持稳定。以前,这样的结果已经只有在低温和大外加磁场看到,海滩说。

可预见的结构

“发展中的一些理论工具之后,我们现在不仅能预测内部skyrmion结构和规模,但我们也可以做一个逆向工程的问题,我们可以说,例如,我们希望有一个大小的skyrmion,和我们将能够产生多层或材料,参数,这将导致该skyrmion的大小,”伊万lemesh,第一作者说: 先进材料 纸张和材料科学与工程研究生澳门太阳城最新网站。合着者包括资深作者沙滩和17人。

电子的基本特征是它们的自旋,其指向向上或向下。一个skyrmion是电子自旋,其为相反周围电子的取向的圆形簇,将该skyrmions保持顺时针或反时针方向。 

“不过,最重要的是,我们还发现,在磁性多层膜skyrmions开发一个复杂的通厚依赖扭曲人性,” lemesh他在材料研究学会(MRS)工作在演示过程中说,秋季会议在波士顿11月。 30.那些结果发表在一个单独的 理论研究 在 身体复查B超 在九月。

目前的研究表明,虽然skyrmions的这种扭曲的结构对计算skyrmion的平均大小的能力的影响很小,但显著影响其电流引起的行为。

基本限制

为了  在 自然纳米技术中,研究人员研究了不同的磁性材料,分层铂与钆钴合金的磁性层,和氧化钽。在这种材料中,研究人员发现,他们可以生产skyrmions为10个纳米小和建立,他们可以在材料快的速度移动。

“我们在本文中发现的是,铁磁体具有的准粒子可以使有多快,你可以使用电流驱动它们的大小基本限制,”第一作者卢卡斯科圆,研究生在材料科学与工程说。

在铁磁体,如钴 - 铁 - 硼,相邻自旋平行于彼此并制定一个强定向的磁矩。克服强磁性体的基本限制,研究人员转向钆 - 钴,这是一种亚铁磁,其中,相邻的旋转交替向上和向下,这样他们可以相互抵消,从而导致总的零磁矩。

“一个可以设计一个亚铁磁,使得净磁化为零,允许超小型旋转纹理,或调整它使得净角动量为零,使超快自旋纹理。这些性质可通过材料的组合物或温度进行工程改造,”科圆解释。

在2017年,研究人员在海滩的组和它们的协作者实验证明,他们可以通过在磁性层上引入一种特定类型的缺陷的创建在特定位置将这些准粒子。

“你可以通过使用不同的本地技术,如离子轰击,例如改变材料的特性,并通过这样做,你改变其磁性能,” lemesh说,“然后,如果你注入电流成丝,在skyrmion将在该位置诞生“。

科圆补充说:“它最初是在材料的天然缺陷发现,那么他们通过线的几何形状设计成了缺点。”

他们用这种方法来创建新skyrmions 自然纳米技术 纸。

研究人员在室温下以同步加速器中心德国制造的钴 - 钆混合物中skyrmions的图像,使用X射线全息。费利克斯布特内尔,在海滩实验室的博士后,是这一X射线全息技术的开发者之一。 “这是唯一的技术,可以允许您在其中进行了这种规模的skyrmions这样的高分辨率图像的一个,”科圆说。

这些skyrmions如10个纳米,它是室温下skyrmions当前世界纪录的小。研究人员证明每秒1.3公里电流驱动畴壁移动,使用,也可用于移动skyrmions,其中还设置了一个新的世界纪录的机制。

除了同步工作,所有的研究在澳门太阳城最新网站完成的。 “我们成长的材料,做制造和在澳门太阳城最新网站在这里描述的材料,”科圆说。

磁场模型

这些skyrmions是一类在这些材料中电子的自旋的自旋结构,而畴壁是另一回事。畴壁相对的自旋取向的结构域之间的边界。在自旋电子学的领域中,这些配置被称为孤子或旋纹理。因为skyrmions是材料的基本性质,它们的形成和运动的能量的数学表征涉及一系列复杂的将他们的圆形大小方程,自旋角动量,轨道角动量,电子电荷,磁强度,层厚度,和若干特殊物理术语,捕捉相邻旋转和相邻层之间的相互作用的能量,如交换相互作用。

这些相互作用,这就是所谓的dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),中的一个是形成skyrmions特殊意义和从铂层和电子之间的相互作用的磁性层产生。在dzyalosh在skii-M要么iya相互作用,自旋彼此垂直,这稳定了skyrmion对齐,lemesh说。在DMI相互作用允许这些skyrmions是拓扑,从而产生迷人的物理现象,使它们稳定,并允许他们与当前的移动。

“铂金本身就是提供什么叫做自旋流是什么驱动旋转纹理成议案”,科圆说。 “自旋电流提供关于铁的磁化或亚铁磁邻近于它的转矩,并且该扭矩是最终导致自旋纹理的运动。我们基本上用简单的材料来实现的接口复杂的现象“。

在这两篇论文中,研究人员进行的微磁和原子论旋计算的组合,以确定形成skyrmions并把它们移到所需的能量。

“事实证明,通过改变磁性层的分数,你可以改变整个系统的平均磁特性,所以现在我们并不需要去不同的材料来生成其他属性,” lemesh说。 “你可以用不同厚度的隔离层稀释磁性层,你会风与不同的磁性能,这给了你机会去制造你的系统无限多。”

精确控制

“创建磁skyrmions的精确控制是场的中心主题,说:” 佳冬臧,物理学助理教授在新罕布什尔大学,谁没有参与这项研究,关于 先进材料 纸。 “这项工作已提出通过电流脉冲产生零个skyrmions的新方法。这绝对是朝着纳秒政权skyrmion操作了坚实的一步。”

讲评 自然纳米技术 报告, 克里斯托弗骨髓在利兹的英国大学凝聚态物理的教授说:“事实是,skyrmions是如此之小,但可在室温下稳定使得它非常显著。”

西葫芦,谁也没有参与这项研究指出,在沙滩组曾预测在室温skyrmions 科学报告  今年早些时候说,新的结果是最高质量的作品。 “但他们所做的预测和现实生活中并不总是辜负理论预期,因此他们应得的所有功劳这一突破,”骨髓说。

臧,讲评 自然纳米技术 纸,补充说:“skyrmion研究的一个瓶颈是达到的尺寸小于20个纳米[国家的技术的存储器单元的尺寸],并用速度驱动其运动超出每秒一公里既是挑战已经解决了这一开创性的工作。

“一个关键的创新是使用亚铁磁,而不是常用的铁磁体,举办skyrmions,”臧说。 “这项工作大大刺激了基于skyrmion存储器和逻辑器件的设计。这绝对是skyrmion领域的明星纸“。

赛马场系统

建立在这些skyrmions固态设备将会取代目前的磁性存储硬盘。磁性skyrmions流可以作为计算机应用的比特。 “在这些材料中,我们可以很容易地图案磁道,”沙滩太太在演示过程中所述。

这些新发现可以适用于赛道存储设备,这是由开发 斯图尔特·帕金 在IBM。工程这些材料用于跑道装置中使用的密钥被工程故意缺陷引入其中skyrmions可形成材料,因为skyrmions形成其中存在在材料中的缺陷。

“一个可以通过将缺口在这种类型的系统工程师”之称的海滨,谁也就是在澳门太阳城最新网站材料研究实验室(MRL)的联合主任。注入材料的电流脉冲在一个凹口形成skyrmions。 “相同的电流脉冲可以用来写入和删除,”他说。这些skyrmions形成极为迅速,在不到十亿分之一秒,海滩说。

说科圆:“能够有一个实际的操作逻辑或存储器赛道设备,你必须写一点,所以这就是我们在创建磁准粒子说说,你必须确保写入位是非常小,你必须以非常快的速度通过材料位翻译,”科圆说。

西葫芦,利兹教授补充道:“基于skyrmion - 自旋电子学的应用,将受益,但再次它是一个有点言之过早肯定会是怎样的各种建议,其中包括存储器,逻辑器件,振荡器和神经形态设备之间的赢家” 

剩余的挑战是如何阅读这些skyrmion位的最佳途径。海滩组这方面的工作正在继续,lemesh说,并指出,目前的挑战是要找到一种方式,以便在计算机或手机来使用它们电检测这些skyrmions。

“是啊,所以你不必把你的手机同步加速器读了一下,”科圆说。 “由于一些对亚铁和所谓的反铁磁类似系统所做的工作的结果,我认为多数领域将真正开始向这些类型的,因为他们持有的巨大承诺的材料转移。”


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