Наноразмерная 3D-система может привести к меньшим устройствам памяти, микроэлектронике и спинтронике

5 марта 2019

Исследовательская группа, возглавляемая Национальной лабораторией Лоуренса Беркли при Министерстве энергетики США, разработала наноразмерную «игровую площадку» на чипе, который имитирует образование монополей – группы экзотических магнитных частиц.

Магнитные монополи в движении при 210 К. Красные точки представляют положительные магнитные заряды (северные полюса), тогда как синие точки представляют собой отрицательные магнитные заряды (южные полюса). (Изображение предоставлено: Farhan / Berkeley Lab)

Недавно сообщалось в Science Advances что исследование может раскрыть секреты более мощной и все меньшей микроэлектроники, запоминающих устройств и современных жестких дисков, использующих силу магнитного поля. вращение для хранения данных.

Следуйте «правилам льда»

Другие ученые давно пытаются разработать реальную модель магнитного монополя – гипотетической субатомной магнитной частицы, обладающей одним южным или северным полюсом. Моделирование и визуализация этих неуловимых частиц могут быть достигнуты путем создания искусственных материалов со спиновым льдом, которые представляют собой огромные массивы наномагнетиков со структурами, подобными водяному льду, в которых атомы не идеально расположены симметрично, что приводит к остаточному южному или северному полюсам .

В магнетизме противоположности всегда притягиваются (то есть южные полюсы тянутся к северным полюсам, и наоборот), и, следовательно, одиночные полюса, подобные этим, пытаются перемещаться, чтобы найти свою идеальную пару. Тем не менее, монополи чрезвычайно ограничены, потому что традиционные искусственные шпиндели являются 2D-системами и, следовательно, не являются реалистичным представлением поведения магнитных монополей, заявил ведущий автор исследования Алан Фархан, который был бывшим научным сотрудником в лаборатории Беркли в Advanced Light Source (ALS) ) во время учебы и в настоящее время работает в Институте Пола Шеррера в Швейцарии.

Чтобы преодолеть этот барьер, команда, возглавляемая лабораторией Беркли, воспроизвела наноразмерную трехмерную систему, которая подчиняется «правилам льда» – принципу, который управляет тем, как атомы организуются во льду, созданном из минерального пирохлора или воды.

Это важнейший элемент нашей работы. С нашей трехмерной системой северный или южный монополь может перемещаться туда, куда он хочет, взаимодействуя с другими частицами в своей среде, подобно изолированному магнитному заряду, другими словами, как монополь .

Алан Фархан, ведущий автор, Институт Пола Шеррера

Наномир на чипе

Передовые инструменты литографии, разработанные в Молекулярном литейном цехе лаборатории Беркли – научно-исследовательском центре наноразмерных размеров – использовались исследователями для создания трехмерной (3D) квадратной решетки из наномагнетиков. Внутри решетки каждый магнит примерно размером с бактерию, опираясь на плоскую кремниевую пластину размером 1 х 1 см.

« Это наномир – с крошечной архитектурой на крошечной пластине», но атомно сконфигурированный в точности как естественный лед заявил Фархан.

Чтобы разработать наноструктуру, команда создала пару экспозиций, каждая из которых была выровнена в пределах от 20 до 30 нм. Скотт Дьюи, соавтор исследования, разработал наноплатформу четырех типов структур на небольшом кремниевом чипе в Молекулярном литейном производстве. В ALS, исследовательском центре синхротронного источника света, открытом для приглашенных исследователей по всему миру, чипы были впоследствии проанализированы.

Используя технику, известную как рентгеновская фотоэмиссионная электронная микроскопия (PEEM), исследователи направили интенсивные пучки рентгеновского света, который реагирует на магнитные структуры на наночастицах, чтобы визуализировать, как монополи могут образовываться и двигаться в ответ к изменениям температуры.

В отличие от микроскопов PEEM на других типах источников света, микроскоп PEEM3 из Berkeley Lab обладает более высоким углом падения рентгеновского излучения, уменьшая эффекты тени – аналогично теням, отбрасываемым зданием, как только солнце падает на поверхность. под определенным углом.

На самом деле, записанные изображения не показывают никакого эффекта тени. Это делает PEEM3 наиболее важным элементом успеха этого проекта .

Алан Фархан, ведущий автор, Институт Пола Шеррера

Фархан сообщил, что PEEM3 является единственным в мире микроскопом, который предлагает пользователям полный контроль температуры в диапазоне ниже 100 К (ниже –280 ° F). Это устройство способно в реальном времени фиксировать, как формируются возникающие магнитные монополи, когда искусственный замороженный лед тает в жидкость, а когда жидкость превращается в газообразное состояние магнитных зарядов – форму вещества, называемую плазмой.

В настоящее время исследователи планируют создавать все более мелкие наномагниты для разработки более тонкой, но более надежной спинтроники – популярной области микроэлектроники, которая использует свойства магнитного вращения частиц для хранения большего количества данных в небольших устройствах, таких как магнитно-жесткие диски.

Устройства, подобные этим, использовали бы сверхпроводящие тонкие пленки и магнитные пленки для развертывания и управления магнитными монополями для сортировки и хранения данных на основе южного или северного направления их полюсов – аналогично нулям и единицам в традиционных магнитных запоминающих устройствах.

«Молекулярный литейный завод» и ALS – это объекты Министерства энергетики США. Научное управление Министерства энергетики США и Швейцарский национальный научный фонд поддержали исследование.

Source link