在能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)工作的一組科學家證實了一種稱為“手性”的特殊屬性 - 可能被用來以新的方式傳輸和存儲數據 - 納米厚具有無序結構的多層材料樣品。

雖然大多數電子設備都依賴于電子的電荷流動，但科學界正在瘋狂地尋找通過設計材料和方法來控制其他固有電子特性的新方法，例如它們圍繞原子的軌道和它們的自旋，這可能是被認為是指向不同方向的羅盤針。

科學家希望，這些特性可以通過促進自旋電子學實現(xiàn)更快，更小，更可靠的數據存儲 - 其中一個方面是利用自旋電流來操縱疇和疇壁。自旋電子設備驅動的設備可以產生比傳統(tǒng)設備更少的熱量并且需要更少的功率。

在最新研究中詳細介紹了5月23日的“ 高級材料 ”雜志在線版，在伯克利實驗室的分子鑄造和先進光源(ALS)工作的科學家證實了過渡區(qū)域的手性或手性 - 稱為疇壁 -在具有相反自旋的相鄰磁疇之間。

科學家希望控制手性 - 類似于右手或左手 - 來控制磁疇并像傳統(tǒng)計算機存儲器那樣傳送零和一個。

樣品由釓和鈷的非晶合金組成，夾在鉑和銥的超薄層之間，已知這些合金強烈地影響相鄰的自旋。

現(xiàn)代計算機電路通常使用基于硅的晶體形式的硅晶片，其具有規(guī)則有序的結構。在這項最新研究中，實驗中使用的材料樣品是無定形的或非晶體的，這意味著它們的原子結構是無序的。

實驗揭示了這些疇壁的磁性中的主要手性，可能會翻轉到相反的位置。這種翻轉機制是自旋電子學和基于電子自旋特性的變異研究領域的關鍵使能技術。

科學團隊致力于確定元素的正確厚度，濃度和分層，以及其他因素，以優(yōu)化這種手性效應。

“現(xiàn)在我們已經證明我們可以在無定形薄膜中獲得手性磁性，這是以前沒有人展示過的，”研究的主要作者，伯克利實驗室材料科學部的博士后研究員羅伯特·斯特魯貝爾說。他說，實驗的成功開啟了控制疇壁的某些特性的可能性，例如手性，溫度，以及用光轉換材料的手性特性。

Streubel指出，盡管結構無序，但也可以制造無定形材料，以克服自旋電子應用中晶體材料的一些局限性。“我們想研究這些更容易制造的更復雜的材料，特別是對于工業(yè)應用。”

該研究團隊在伯克利實驗室的分子鑄造廠獲得了一種獨特的高分辨率電子顯微鏡技術，并以所謂的洛倫茲觀察模式進行了實驗，以對材料樣品的磁性進行成像。他們將這些結果與ALS的X射線技術結合起來，稱為磁圓二色光譜，以確認樣品中的納米級磁性手征。

Molecular Foundry的國家電子顯微鏡中心采用的洛倫茲顯微鏡技術提供了解析稱為自旋紋理的磁疇特性所需的數十納米分辨率。

“這種儀器的高空間分辨率使我們能夠看到疇壁中的手性 - 我們查看了整個材料堆，”該研究的聯(lián)合負責人和該實驗室的高級科學家科學家Peter Fischer說。材料科學部。

Fischer指出，越來越精確，高分辨率的實驗技術 - 例如使用電子束和X射線 - 現(xiàn)在允許科學家探索缺乏明確結構的復雜材料。

“我們現(xiàn)在正在尋找新型探頭，”他說，正在向更小規(guī)模鉆探。“新材料和發(fā)現(xiàn)經常出現(xiàn)在材料的界面上，這就是為什么我們會問：當你將一層放在另一層時會發(fā)生什么?這又如何影響自旋紋理，這是材料旋轉方向的磁性景觀? “

Fischer說，最新的研究工具，即將出現(xiàn)的下一代電子和X射線探頭，將為科學家提供直接在原子分辨率下觀察飛秒中材料界面發(fā)生的磁轉換的能力(千萬億分之一秒的時間尺度。

“因此，我們的下一步是進入無定形系統(tǒng)中這些疇壁的手性動力學：在移動時對這些疇壁進行成像，并觀察原子如何組裝在一起，”他說。

Streubel補充道，“對于幾乎所有需要的方面來說，這真的是一項深刻的研究。每件作品本身都帶來了挑戰(zhàn)。” 將洛倫茲顯微鏡結果輸入由Streubel定制的數學算法，以識別疇壁類型和手性。另一個挑戰(zhàn)是優(yōu)化樣品生長以使用稱為濺射的常規(guī)技術實現(xiàn)手性效應。

該算法和實驗技術現(xiàn)在可以應用于未來研究中的一整套樣本材料，并且“應該針對不同的目的推廣到不同的材料，”他說。

研究小組還希望他們的工作可能有助于推動與旋轉軌道相關的研發(fā)，其中“拓撲保護”(穩(wěn)定和彈性)旋轉紋理稱為skyrmions可能會取代材料中微小疇壁的傳播，從而導致更小更快的計算功耗低于傳統(tǒng)設備的設備。