„Domena cylindryczna, którą my, fizycy, nazywamy również domeną bąbelkową, to maleńki, cylindryczny obszar w cienkiej warstwie magnetycznej. Jej spiny, wewnętrzny moment pędu elektronów, który generuje moment magnetyczny w materiale, są skierowane w określonym kierunku. To tworzy namagnesowanie, które różni się od reszty otoczenia. Wyobraź sobie małą, cylindryczną bańkę magnetyczną unoszącą się w morzu przeciwnego namagnesowania” — mówi prof. Olav Hellwig z Instytutu Fizyki Wiązek Jonowych i Badań Materiałowych HZDR, opisując przedmiot swoich badań. On i jego zespół są przekonani, iż takie struktury magnetyczne posiadają ogromny potencjał do zastosowań spintronicznych.
Ściany domenowe tworzą się na krawędziach tej cylindrycznej domeny, obszary peryferyjne, w których zmienia się kierunek namagnesowania. W technologii pamięci magnetycznej, którą zespół Hellwiga próbuje osiągnąć, najważniejsze będzie precyzyjne kontrolowanie struktury spinu w ścianie domeny, ponieważ jej kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara lub przeciwny do ruchu wskazówek zegara może być bezpośrednio używany do kodowania bitów. Naukowcy skupiają się również na innym aspekcie: „Nasze obecne dyski twarde, o szerokościach ścieżek od 30 do 40 nanometrów i długościach bitów od 15 do 20 nanometrów, mieszczą około jednego terabajta na powierzchni wielkości znaczka pocztowego. Pracujemy nad pokonaniem tego ograniczenia gęstości danych poprzez rozszerzenie pamięci do trzeciego wymiaru”, wyjaśnia Hellwig.
Rozwiązanie: Metamateriały w 3D
Magnetyczne struktury wielowarstwowe są atrakcyjnym sposobem kontrolowania wewnętrznej struktury spinowej ścian domen, ponieważ zaangażowane energie magnetyczne można regulować, łącząc różne materiały i grubości warstw. Zespół Hellwiga użył bloków naprzemiennych warstw kobaltu i platyny, rozdzielonych warstwami rutenu, i osadził je na płytkach krzemowych. Powstały metamateriał jest syntetycznym antyferromagnetykiem. Jego szczególną cechą jest pionowa struktura namagnesowania, w której sąsiadujące bloki warstw mają przeciwne kierunki namagnesowania, co skutkuje całkowitym neutralnym namagnesowaniem.
„W tym miejscu pojawia się koncepcja pamięci „racetrack”. System przypomina tor wyścigowy, na którym bity są ułożone jak sznur pereł. Genialne w naszym systemie jest to, iż możemy konkretnie kontrolować grubość warstw, a tym samym ich adekwatności magnetyczne. Pozwala nam to dostosować zachowanie magnetyczne syntetycznego antyferromagnetyka, aby umożliwić przechowywanie nie tylko pojedynczych bitów, ale całych sekwencji bitów, w postaci zależnego od głębokości kierunku namagnesowania ścian domen”, wyjaśnia Hellwig. Otwiera to perspektywę transportu takich wielobitowych domen cylindrycznych wzdłuż tych magnetycznych autostrad danych w sposób kontrolowany, szybki i energooszczędny.
Istnieje również potencjał dla innych zastosowań w magnetoelektronice. Na przykład, mogą być używane w czujnikach magnetorezystancyjnych lub w komponentach spintronicznych. Ponadto, takie złożone magnetyczne nanoobiekty mają duży potencjał dla implementacji magnetycznych w sieciach neuronowych, które mogłyby przetwarzać dane w taki sam sposób jak ludzki mózg.
