科学家在无序磁性材料中发现有序磁性模式

在美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)工作的一组科学家证实了一种称为“手性”的特殊性质，这种特性可能被用来在一种新型的纳米材料中传输和存储数据，这种材料是一种具有无序结构的多层材料。虽然大多数电子设备依赖于电子的流动的电荷，科学界正在积极寻找新的方法来彻底改变电子通过设计材料和方法来控制其他固有的电子特征，如绕原子轨道和自旋，它可以被认为是一个指南针的针调整在不同的方向。科学家们希望，这些特性能够通过促进spintronic(使用自旋电流来操纵域和域壁)来实现更快、更小、更可靠的数据存储。

第一行为电子相位，第二行为磁感应，第二行为多层材料样品中不同磁畴特性模拟相的示意图。第一列是对称薄膜材料，第二列是包含钆和钴的不对称薄膜。刻度条是200纳米(十亿分之一米)。虚线表示域壁，箭头表示手性或“利手性”。前两排的底层图像是利用伯克利实验室(Berkeley Lab)的分子铸造技术洛伦兹显微镜(Lorentz microscopy)拍摄的。图片：Lawrence Berkeley National Laboratory

博科园-科学科普：与传统设备相比，spintronics驱动的设备能产生更少的热量和更少的能量。在最新的研究中，伯克利实验室的分子铸造和高级光源(ALS)的科学家们在5月23日的在线期刊《高级材料》(Advanced Materials)上详细报道了这一研究。他们证实，在具有相反自旋的相邻磁畴壁之间的过渡区存在一种手性，也就是“手性”。科学家们希望控制手性——类似于右利手性或左利手性——来控制磁畴，并像传统的计算机内存那样传递0和1。这些样品由一种非晶态合金组成，合金由钆和钴元素组成，夹在超薄的铂层和铱层之间。众所周知，铱层对相邻的自旋产生强烈的影响。

现代计算机电路通常使用基于晶体形式的硅芯片，这种硅芯片具有规则有序的结构。在这项最新的研究中，实验中使用的材料样本是非晶态的，或者是非晶态的，这意味着它们的原子结构是无序的。实验表明，这些磁畴壁的磁性质具有支配性的手性，而磁畴壁的磁性质可能被翻转到相反的方向。这种翻转机制是自旋电子学和基于电子自旋性质的不同研究领域的关键技术。科学团队致力于确定合适的厚度、浓度和元素分层，以及其他因素来优化这一手性效应。该项研究的主要作者、伯克利实验室材料科学部的博士后罗伯特·斯特鲁贝尔(Robert Streubel)说：现在有证据表明，可以在无定形薄膜中获得手性磁性，这是以前没有人证明过实验的成功。

为控制域壁的某些性质打开了可能性，例如具有温度的手性，以及用光交换材料的手性性质。Streubel指出，尽管非晶态材料结构混乱，但它们也可以被制造出来，以克服自旋电子学应用中晶体材料的一些限制。想研究这些更复杂、更容易制造的材料，尤其是在工业应用领域。该研究小组在伯克利实验室的分子铸造厂采用了一种独特的高分辨率电子显微镜技术，并在所谓的洛伦兹观察模式下进行实验，对材料样品的磁性进行成像。他们将这些结果与ALS(肌萎缩性侧索硬化症)上的x射线技术结合在一起，即所谓的磁圆二色性光谱学，以确定样品中的纳米级磁性手性。在分子铸造的国家电子显微镜中心使用的洛伦兹显微镜技术提供了需要的纳米尺度的分辨率来解决被称为自旋纹理的磁畴特性。

在这些排列有序的图像中，第一列显示了包含钆和钴的多层材料的退磁状态;第二列示出外磁场后，在相同样品上的剩余磁性，然后去除;最后一列显示了施加负磁场时的样本。第三行图像中的白色箭头表示材料中富含钆的区域。图片：Lawrence Berkeley National Laboratory

该研究的共同领导者、实验室材料科学部的资深科学家彼得·费舍尔(Peter Fischer)说：这台仪器的高空间分辨率让我们看到了域壁的手性。费希尔指出，越来越精确、高分辨率的实验技术——例如利用电子束和x射线——现在让科学家们得以探索缺乏清晰结构的复杂材料。在正在寻找新型的探测器，这些探测器正在钻到越来越小的范围。新特性和新发现经常发生在材料的界面上，这就是为什么我们会问：当把一层放在另一层的时候会发生什么？这如何影响自旋纹理，这是一种材料的旋转方向的磁性景观？费希尔说，随着下一代电子和x射线探头的出现，最终的研究工具将为科学家提供能力，在原子分辨率下，直接看到在飞秒(一秒的四次方分之一)的材料界面中发生的磁开关。

因此，下一步是研究非晶系统中这些域壁的手性动力学：在这些域壁运动时成像，并观察原子是如何组装在一起的。这是一项非常深入的研究，几乎涉及所有需要的方面。每一件作品本身都有挑战。洛伦兹显微镜的结果被输入一个数学算法，由Streubel定制，以识别领域墙类型和手性。另一个挑战是如何优化样本生长，以实现传统的溅射技术的手性效应。该算法和实验技术现在可以在未来的研究中应用于一套完整的样本材料，“应该适用于用于不同目的的不同材料。研究小组也希望他们的工作可以帮助驱动旋转orbitronics相关研发,在“拓扑保护”(稳定和弹性)旋转纹理称为skyrmions可能取代小域墙材料的传播,并导致更小、更快的计算设备和更低的能耗比传统设备。

博科园-科学科普｜参考期刊：Advanced Materials｜来自：劳伦斯伯克利国家实验室