A linha superior mostra a fase do elétron, a segunda linha mostra a indução magnética, e a linha inferior mostra esquemas para a fase simulada de diferentes recursos de domínio magnético em amostras de material de multicamadas. A primeira coluna é para um material de filme fino simétrico e a segunda coluna é para um filme fino assimétrico contendo gadolínio e cobalto. As barras de escala são de 200 nanômetros (bilionésimos de um metro). As linhas tracejadas indicam paredes de domínio e as setas indicam a quiralidade ou 'lateralidade'. As imagens subjacentes nas duas linhas superiores foram produzidas usando uma técnica da Fundição Molecular do Berkeley Lab conhecida como microscopia Lorentz. Clique na imagem para vê-la em tamanho maior. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
Uma equipe de cientistas que trabalha no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab) confirmou uma propriedade especial conhecida como "quiralidade - que pode ser explorada para transmitir e armazenar dados de uma nova maneira - em amostras multicamadas de nanômetros de espessura materiais que apresentam uma estrutura desordenada.
Enquanto a maioria dos dispositivos eletrônicos dependem do fluxo de carga de elétrons, a comunidade científica está procurando febrilmente novas maneiras de revolucionar a eletrônica, projetando materiais e métodos para controlar outras características inerentes do elétron, como suas órbitas em torno dos átomos e seu spin, que pode ser pensado como uma agulha de bússola ajustada para apontar em diferentes direções.
Essas propriedades, os cientistas esperam, pode habilitar mais rápido, menor, e armazenamento de dados mais confiável, facilitando a spintrônica - uma das facetas é o uso da corrente de spin para manipular domínios e paredes de domínio. Os dispositivos acionados pela spintrônica podem gerar menos calor e exigir menos energia do que os dispositivos convencionais.
No último estudo, detalhado na edição online de 23 de maio da revista Materiais avançados , cientistas que trabalham na Fundição Molecular e Fonte de Luz Avançada (ALS) do Berkeley Lab confirmaram uma quiralidade, ou lateralidade, nas regiões de transição - chamadas de paredes de domínio - entre domínios magnéticos vizinhos que têm spins opostos.
Os cientistas esperam controlar a quiralidade - análogo ao destro ou canhoto - para controlar domínios magnéticos e transmitir zeros e uns como na memória de computador convencional.
As amostras foram compostas por uma liga amorfa de gadolínio e cobalto, imprensado entre camadas ultrafinas de platina e irídio, que são conhecidos por impactar fortemente os spins vizinhos.
Os circuitos de computador modernos costumam usar wafers de silício com base em uma forma cristalina de silício, que tem uma estrutura regularmente ordenada. Neste último estudo, as amostras de material usadas nos experimentos eram amorfas, ou não cristalino, o que significa que sua estrutura atômica estava desordenada.
Os experimentos revelaram uma quiralidade dominante nas propriedades magnéticas dessas paredes de domínio que possivelmente poderiam ser invertidas para o seu oposto. Esse mecanismo de inversão é uma tecnologia de habilitação crítica para spintrônica e campos variantes de pesquisa que são baseados na propriedade de spin do elétron.
A equipe científica trabalhou para identificar a espessura certa, concentração, e camadas de elementos, e outros fatores para otimizar esse efeito quiral.
"Agora temos provas de que podemos ter magnetismo quiral em filmes finos amorfos, que ninguém havia mostrado antes, "disse Robert Streubel, o autor principal do estudo e pesquisador de pós-doutorado na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab. O sucesso dos experimentos, ele disse, abre a possibilidade de controlar algumas propriedades das paredes de domínio, como quiralidade, com temperatura, e de trocar as propriedades quirais de um material com luz.
Nessas linhas de imagens sequenciadas, produzido usando técnicas baseadas em raios-X, a primeira coluna mostra o estado desmagnetizado de um material multicamadas contendo gadolínio e cobalto; a segunda coluna mostra o magnetismo residual nas mesmas amostras após um externo, o campo magnético positivo foi aplicado e então removido; e a última coluna mostra as amostras quando um campo magnético negativo é aplicado. As setas brancas na terceira linha de imagens indicam regiões ricas em gadolínio no material. Clique na imagem para vê-la em tamanho maior. Crédito:Laboratório Nacional Lawrence Berkeley
Materiais amorfos, apesar de sua estrutura desordenada, também poderia ser fabricado para superar algumas das limitações dos materiais cristalinos para aplicações de spintrônica, Streubel observou. "Queríamos investigar esses materiais mais complexos que são mais fáceis de fazer, especialmente para aplicações industriais. "
A equipe de pesquisa alistou um único, técnica de microscopia eletrônica de alta resolução na Fundição Molecular do Berkeley Lab, e conduziu os experimentos no chamado modo de observação Lorentz para obter imagens das propriedades magnéticas das amostras de material. Eles combinaram esses resultados com os de uma técnica de raios-X no ALS conhecida como espectroscopia de dicroísmo circular magnético para confirmar a quiralidade magnética em nanoescala nas amostras.
A técnica de microscopia Lorentz empregada no Centro Nacional de Microscopia Eletrônica da Molecular Foundry forneceu a resolução de dezenas de nanômetros necessária para resolver as propriedades do domínio magnético conhecidas como texturas de spin.
"Essa alta resolução espacial neste instrumento nos permitiu ver a quiralidade nas paredes do domínio - e examinamos toda a pilha de materiais, "disse Peter Fischer, um co-líder do estudo e um cientista sênior da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório.
Fischer observou que cada vez mais preciso, técnicas experimentais de alta resolução - que usam feixes de elétrons e raios-X, por exemplo - agora permite que os cientistas explorem materiais complexos que carecem de uma estrutura bem definida.
"Agora estamos procurando novos tipos de sondas, " ele disse, que estão se aprofundando em escalas cada vez menores. "Novas propriedades e descobertas podem muitas vezes ocorrer nas interfaces dos materiais, É por isso que perguntamos:O que acontece quando você coloca uma camada próxima a outra? E como isso afeta as texturas de rotação, quais são as paisagens magnéticas de um material de orientações de spin? "
A melhor ferramenta de pesquisa, Fischer disse, que está no horizonte com a próxima geração de sondas de elétrons e raios-X, forneceria aos cientistas a capacidade de ver diretamente, em resolução atômica, a comutação magnética que ocorre nas interfaces de um material em escalas de tempo de femtossegundos (quatrilionésimos de segundo).
"Nosso próximo passo é, portanto, entrar na dinâmica da quiralidade dessas paredes de domínio em um sistema amorfo:para criar imagens dessas paredes de domínio enquanto elas se movem, e para ver como os átomos são reunidos, " ele disse.
Streubel adicionado, "Foi realmente um estudo profundo em quase todos os aspectos necessários. Cada peça por si só representava desafios." Os resultados da microscopia Lorentz foram alimentados em um algoritmo matemático, personalizado por Streubel, para identificar tipos de parede de domínio e quiralidade. Outro desafio foi otimizar o crescimento da amostra para alcançar os efeitos quirais usando uma técnica convencional conhecida como sputtering.
O algoritmo, e as técnicas experimentais, agora pode ser aplicado a todo um conjunto de materiais de amostra em estudos futuros, e "deve ser generalizável para diferentes materiais para diferentes fins, " ele disse.
A equipe de pesquisa também espera que seu trabalho possa ajudar a impulsionar a pesquisa e desenvolvimento relacionados aos orbitrônicos de spin, onde texturas de spin "topologicamente protegidas" (estáveis e resilientes) chamadas skyrmions poderiam potencialmente substituir a propagação de minúsculas paredes de domínio em um material e levar a dispositivos de computação menores e mais rápidos com menor consumo de energia do que dispositivos convencionais.
