p (Phys.org) - O fenômeno em nanodiscos ferromagnéticos de vórtices magnéticos - furacões de magnetismo com apenas alguns átomos de diâmetro - gerou intenso interesse na comunidade de alta tecnologia por causa da aplicação potencial desses vórtices em memória de acesso aleatório não volátil (RAM) sistemas de armazenamento de dados. Novas descobertas de cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Laboratório de Berkeley) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) indicam que o caminho para o vórtice magnético RAM pode ser mais difícil de navegar do que se supunha anteriormente, mas também pode haver recompensas inesperadas. p Em um experimento possibilitado pelos feixes de raios-X exclusivos da Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, uma equipe de pesquisadores liderada por Peter Fischer e Mi-Young Im do Center for X-Ray Optics (CXRO), em colaboração com cientistas no Japão, descobriu que, ao contrário do que se acreditava anteriormente, a formação de vórtices magnéticos em nanodiscos ferromagnéticos é um fenômeno assimétrico. É possível que essa quebra de simetria levasse à falha em um dispositivo de armazenamento de dados durante seu processo de inicialização.

p “Nossa demonstração experimental de que o estado de vórtice em um único nanodisco magnético experimenta quebra de simetria durante a formação significa que, para fins de armazenamento de dados, provavelmente seria necessário um longo processo de verificação para corrigir os erros, ”Im diz. “Do lado positivo, o comportamento não simétrico cria um efeito de polarização que pode ser aplicado a um sensor ou dispositivo lógico. ”

p “Nosso estudo também é um bom exemplo de ciência de mesoescala, que traz a nanociência da última década para o próximo nível, ”Fischer diz. “Os fenômenos de mesoescala abrangem complexidade e funcionalidade em várias escalas de comprimento.”

p Im e Fischer descrevem este estudo em um artigo publicado na revista Nature Communications . O artigo é intitulado “Quebra de simetria na formação de estados de vórtice magnético em um nanodisco permalloy.” Os co-autores deste artigo foram Keisuke Yamada, Tomonori Sato, Shinya Kasai, Yoshinobu Nakatani e Teruo Ono.

p Estados de vórtices magnéticos são gerados em nanodiscos ferromagnéticos devido ao spin dos elétrons, que dá origem a momentos magnéticos, deve seguir a forma do disco para garantir o fechamento das linhas de fluxo magnético. Isso resulta na ondulação das linhas de fluxo de magnetização no plano. No centro dessas linhas de fluxo ondulantes está um núcleo em forma de agulha, um "olho do furacão" que aponta para cima ou para baixo em relação ao plano de superfície do nanodisco.

p “A magnetização do nanodisco ferromagnético, portanto, tem dois componentes, a polaridade para cima ou para baixo do núcleo e a quiralidade (rotação) da magnetização no plano, que pode ser no sentido horário ou anti-horário, ”Im diz. “Foi proposto que essas quatro orientações independentes podem ser usadas para armazenar dados binários em novos dispositivos de armazenamento não voláteis.”

p “A suposição era que os estados de vórtice magnético exibiriam uma simetria perfeita necessária para dispositivos de armazenamento de dados baseados em vórtice porque os estados de energia das quatro orientações eram equivalentes, significando quatro valores lógicos por unidade, ”Fischer diz. “No entanto, mostramos que se você analisar um conjunto suficientemente grande de nanodiscos, Este não é o caso. Nossos resultados demonstram como o comportamento em mesoescala pode ser significativamente diferente do comportamento em nanoescala. ”

p A chave para a descoberta da quebra da simetria do vórtice magnético foi a capacidade da equipe de pesquisa de observar simultaneamente a quiralidade e a polaridade em uma grande variedade de nanodiscos. Estudos anteriores focaram na quiralidade ou polaridade em um único disco. Esta observação simultânea foi realizada usando o microscópio de raios X XM-1 na linha de luz ALS 6.1.2. O XM-1 fornece microscopia de raio-X suave de transmissão magnética de campo completo com resolução espacial de até 20 nanômetros, graças em parte à óptica de raios-X de alta qualidade fornecida pelos pesquisadores do CXRO.

p “A microscopia de raio-X de transmissão magnética oferece imagens de alta resolução espacial e temporal com contraste magnético específico do elemento, tornando-o um método ideal para estudar a dinâmica do spin em nanoescala, como a dinâmica do núcleo do vórtice, ”Im diz. “O XM-1 oferece um grande campo de visão e, portanto, tempos de exposição muito curtos por disco.”

p Eu estou, Fischer e seus colegas criaram nanodiscos de permalloy, uma liga de níquel e ferro cujas propriedades magnéticas foram totalmente caracterizadas. Usando litografia de feixe de elétrons, eles modelaram grandes matrizes de discos, cada um com um raio de 500 nanômetros e uma espessura de 100 nanômetros. As matrizes foram depositadas em membranas de nitreto de silício para permitir a transmissão suficiente de raios X suaves e expostas em XM-1 por alguns segundos. Em seu jornal, os autores concluem que a quebra de simetria observada provavelmente resulta de uma combinação de fatores intrínsecos e extrínsecos. Acredita-se que o fator intrínseco seja um acoplamento anti-simétrico entre os spins de dois elétrons, chamado de interação Dzyaloshinskii-Moriya. Fatores extrínsecos incluem defeitos ao longo das bordas dos nanodiscos e superfícies ásperas dos nanodiscos.

p “Nossa descoberta é certamente um novo fenômeno físico em vórtices magnéticos, que não foi explorado até agora, ”Diz Im. “A significância estatística de nosso trabalho experimental e nossa rigorosa simulação micromagnética 3D para o processo de geração do estado de vórtice fornece novas informações importantes para a física menos conhecida no processo de magnetização de nanodiscos.”

p “Também mostramos que o comportamento determinístico e a funcionalidade na mesoescala nem sempre podem ser extrapolados até mesmo de uma compreensão completa do comportamento em nanoescala, ”Fischer diz. “Em outras palavras, compreender um único tijolo de LEGO pode não ser suficiente para construir uma estrutura grande e complexa. ”

p Im é o autor correspondente do artigo da Nature Communications. Os co-autores Yamada e Ono estão com a Universidade de Kyoto, os co-autores Sato e Nakatani são da University of Electro-Communications at Chofu, e coautor Kasai é do Japão e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais.