Uma equipe liderada pela Rutgers University e incluindo cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstrou uma técnica de imagem de raios-X que poderia permitir o desenvolvimento de imagens menores, mais rápido, e eletrônicos mais robustos.

Descrito em um artigo publicado em 27 de novembro em Nature Communications , a técnica aborda uma limitação primária no campo de pesquisa emergente da "spintrônica, "ou spin eletrônico, usando materiais magnéticos conhecidos como antiferromagnetos (AFMs):a capacidade de criar imagens de domínios magnéticos antifásicos.

Elétrons em átomos magnéticos apontam, ou "girar, "para cima ou para baixo. Em todos os materiais magnéticos, existem regiões distintas - domínios magnéticos - nas quais os spins do elétron são organizados de maneira regular. Várias configurações são possíveis dependendo do tipo de magnetismo. Em AFMs, os spins em átomos adjacentes apontam em direções opostas (por exemplo, cima-baixo-cima-baixo). Embora as rotações dentro de cada domínio sejam ordenadas uniformemente, aqueles dentro de domínios adjacentes são alinhados de uma maneira diferente. Por exemplo, em AFMs, os spins em um domínio podem ser todos organizados em um padrão de cima para baixo, durante o down-up em um domínio vizinho. A obtenção de imagens desses domínios "antifásicos" e das transições (paredes) que existem entre eles é o primeiro passo para ser capaz de manipular o estado magnético dos AFMs para desenvolver dispositivos spintrônicos.

"Em última análise, o objetivo é controlar o número, forma, Tamanho, e posição dos domínios, "disse o co-autor Claudio Mazzoli, cientista-chefe da linha de luz Coherent Soft X-ray Scattering (CSX) na Fonte de Luz Síncrotron Nacional II do Brookhaven Lab (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility - onde a técnica foi demonstrada. "Em geral, as propriedades eletrônicas das paredes de domínio podem ser diferentes daquelas na maior parte do material, e podemos tirar proveito desse fato. Encontrar uma maneira de controlar os domínios e suas paredes por meio de perturbações externas é a chave para a engenharia de dispositivos que podem armazenar e processar informações com eficiência. "

Da carga para a rotação

Eletrônicos convencionais, como chips de computador, dependem do transporte de portadores de carga elétrica, ou elétrons, para operar. À medida que essas cargas se movem, eles dissipam energia na forma de calor, limitar a eficiência do dispositivo.

Spintrônica explora outra propriedade intrínseca dos elétrons:spin. Como os spins do elétron podem ser invertidos de uma polaridade magnética para outra muito mais rápido do que a carga pode ser movida, dispositivos baseados em spintrônica podem ser intrinsecamente mais rápidos do que a eletrônica de hoje.

A data, a maioria dos dispositivos spintrônicos foram baseados em ferromagnetos (FMs) - o tipo de ímã com o qual estamos mais familiarizados, como pode ser visto em geladeiras e discos rígidos de computador. Em resposta a um campo magnético externo, os domínios nos FMs se alinham paralelamente de acordo com a direção do campo.

Contudo, Os AFMs oferecem várias vantagens sobre os FMs. Por exemplo, porque os spins em AFMs cancelam, esses materiais não têm magnetismo em grande escala. Assim, sua orientação de rotação pode ser invertida ainda mais rápido, e não geram campos magnéticos dispersos que podem interferir com outras fontes de magnetização. Além disso, eles são muito mais resistentes a campos magnéticos externos.

"Os antiferromagnetos são intrinsecamente mais protegidos contra a perda de informações por meio de interações com o meio ambiente, incluindo entre domínios, "explicou o autor sênior e professor de física da Rutgers Valery Kiryukhin." Assim, dispositivos baseados em materiais AFM podem ser menores, com informações mais compactadas para gerar maior capacidade de armazenamento. "

Mas as mesmas características que tornam os AFMs atraentes para a spintrônica também tornam esses materiais difíceis de controlar.

"Para controlá-los, primeiro precisamos responder a perguntas muito básicas, por exemplo, como os domínios são organizados no espaço e como eles e suas paredes se movem em resposta a perturbações externas, como mudanças de temperatura, campos elétricos, e pulsos de luz, "disse Mazzoli.

Reflexões antiferromagnéticas

Neste estudo, os cientistas direcionaram um feixe coerente de raios-x da linha de luz CSX através de um orifício circular para iluminar a ordem magnética de uma amostra AFM baseada em ferro sintetizada por membros do Departamento de Física e Astronomia de Rutgers, incluindo Kiryukhin e o primeiro autor e associado de pós-doutorado Min Gyu Kim. Eles definem os raios-x da linha de luz para uma energia que ressoa com (perto de) a energia dos spins no material. Um detector capturou a intensidade da luz conforme ela refletia na amostra.

"Você pode ver os arranhões na tela do seu celular quando a luz reflete daquela superfície, "disse Mazzoli." Aplicamos o mesmo tipo de princípio aqui, mas contamos com reflexos magnéticos em vez de reflexos de superfície. As reflexões magnéticas só aparecem dentro de uma fronteira muito estreita de ângulos e condições de espalhamento. "

"Porque o feixe de entrada é coerente - todos os fótons, ou partículas de luz, acenamos juntos de forma organizada - pudemos ver diretamente como dois domínios são diferentes e como eles interferem um no outro, "disse o co-autor Mark Dean, um físico no Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais do Brookhaven Lab (CMPMS). "A interferência, conforme revelado nos padrões do detector, onde há uma redução na intensidade do sinal, nos disse onde estão os limites do domínio. "

Embora esta técnica de difração magnética seja bem conhecida, este estudo representa a primeira vez que foi aplicado com sucesso à imagem do domínio antifásico em AFMs.

"Esta capacidade completamente nova de criar imagens dos limites do domínio antiferromagnético só é possível devido à excelente coerência da linha de luz, "disse Ian Robinson, Líder do grupo de espalhamento de raios-X e físico sênior do Departamento CMPMS. "As contribuições de espalhamento de dois domínios antifásicos são exatamente as mesmas em magnitude. Eles diferem apenas em sua fase, que é captado com raios-x coerentes por interferência no detector. "

Em frações de segundo, uma imagem completa de áreas estendidas (centenas de mícrons por centenas de mícrons) da amostra é gerada, sem ter que mover qualquer instrumentação. Em outras técnicas de imagem magnética, uma sonda deve ser digitalizada sobre a superfície em vários pontos, ou cálculos são necessários para projetar os padrões de detector resultantes em imagens do espaço real que nossos olhos possam entender.

"Basicamente, estamos tirando uma foto, "disse Mazzoli." A leitura de todos os pixels no detector forma uma imagem de campo completo em um único tiro. Imagens que cobrem áreas ainda maiores de milímetros podem ser obtidas juntando várias imagens. "

A velocidade da técnica o torna ideal para experimentos dinâmicos. Aqui, os cientistas estudaram como os domínios magnéticos mudaram em tempo real à medida que aqueciam a amostra para "derreter" (remover) sua ordem antiferromagnética e resfriavam-na para trazer de volta a ordem na forma do arranjo do domínio. Eles descobriram que alguns dos domínios estavam livres para se mover a cada ciclo térmico, enquanto outros não.

Daqui para frente, a equipe planeja testar a técnica usando outros AFMs e diferentes classes de materiais. A equipe também planeja melhorar a resolução atual da técnica para menos de 100 nanômetros, reconfigurando a configuração experimental. Essa resolução melhorada permitiria que eles determinassem a espessura da parede do domínio.

"Para projetar um dispositivo spintrônico, você precisa saber a configuração magnética dos materiais, "disse Dean." Nossa esperança é que eventualmente seremos capazes de usar esta técnica para ver como o magnetismo está funcionando em condições próximas do dispositivo. "