Skyrmions en aumento: el nuevo material 2D avanza en la informática de bajo consumo

Skyrmions en aumento: el nuevo material 2D avanza en la informática de bajo consumo


28 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los materiales magnéticos bidimensionales han sido aclamados como los componentes básicos de la próxima generación de dispositivos electrónicos pequeños y rápidos. Compuestos por capas de capas cristalinas de solo unas pocas capas atómicas de espesor, estos materiales obtienen sus propiedades magnéticas únicas de los giros intrínsecos de sus electrones, similares a las agujas de una brújula.

La delgadez de las capas a nivel atómico significa que estos espines se pueden manipular a la escala más fina con campos eléctricos externos, lo que podría conducir a nuevos sistemas de procesamiento de información y almacenamiento de datos de baja energía. Pero saber exactamente cómo diseñar materiales 2D con propiedades magnéticas específicas que puedan manipularse con precisión sigue siendo un obstáculo para su aplicación.

Bueno, como se informó en el Diario avances científicos («Rejilla de skyrmion a temperatura ambiente en un imán en capas (Fe0.5co0.5)5Obtener2‘), investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell y la Universidad de Rutgers han descubierto materiales 2D en capas que pueden exhibir propiedades magnéticas únicas que permanecen estables a temperatura ambiente y, por lo tanto, podrían usarse en futuros dispositivos cotidianos Atomic- Las imágenes a escala del material muestran las propiedades químicas y estructurales precisas responsables de estas características y su estabilidad. Un mapa creado con técnicas de microscopía magnética muestra patrones de giro en espiral, llamados skyrmions, que aparecen en un material 2D delgado y en capas. Un mapa creado con técnicas de microscopía magnética muestra patrones de giro en espiral, llamados skyrmions, que aparecen en un material 2D delgado y en capas. Los investigadores de Berkeley Lab dicen que el material podría avanzar en dispositivos electrónicos más pequeños, más rápidos y más eficientes energéticamente, como dispositivos de almacenamiento de baja potencia. (Imagen: Laboratorio de Berkeley)

Los investigadores de Berkeley Lab tienen un historial de identificación de propiedades magnéticas inesperadas en capas atómicamente delgadas de cristales a granel, muchos de los cuales se basan en materiales semiconductores dopados con átomos metálicos. Tyler Reichanadter, estudiante graduado de UC Berkeley y coautor del estudio, calculó cómo podría cambiar la estructura electrónica de los materiales 2D comunes cuando se intercambian diferentes átomos, en este caso parte del hierro por cobalto.

Este intercambio particular da como resultado una estructura cristalina que no se puede superponer a su imagen especular, lo que lleva a la posibilidad de ensamblajes de espín exóticos, similares a vórtices, llamados skyrmions, que se están explorando como bloques de construcción para la computación de bajo consumo en el futuro.

Los coautores del estudio, Hongrui Zhang, becario postdoctoral en UC Berkeley, y Xiang Chen, becario postdoctoral en Berkeley Lab y UC Berkeley, utilizaron instalaciones de crecimiento de cristales para explorar algunos de los materiales 2D más prometedores, incluido el telururo de germanio y hierro dopado con cobalto. (Fe5Obtener2) en forma de nanocopos.

pies5Obtener2 es un material magnético 2D típico debido a su estructura en capas única y simetría cristalina, con átomos de hierro que ocupan puntos específicos dentro de la estructura cristalina.

Descubrieron que al reemplazar exactamente la mitad de los átomos de hierro con átomos de cobalto, cuya configuración electrónica ligeramente diferente significaba que los átomos ocupaban inherentemente puntos ligeramente diferentes en el cristal, podían romper espontáneamente la simetría natural del cristal del material, lo que a su vez alteraba su estructura de espín. .

«Eso no es fácil. Sintetizar estas estructuras lleva días o meses, y hemos pasado por cientos de cristales», dijo Chen, experto en sintetizar materiales tan complejos.

Los coautores Sandhya Susarla, becaria postdoctoral en Berkeley Lab, y Yu-tsun Shao, becaria postdoctoral en Cornell, confirmaron la estructura atómica y la estructura electrónica de los materiales complejos utilizando habilidades de microscopía electrónica en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en Molecular Foundry. .

«Esto es pura ciencia de descubrimiento y totalmente inesperado», dijo Ramamoorthy Ramesh, científico senior de la facultad en la División de Ciencias de los Materiales del Laboratorio de Berkeley y autor correspondiente principal del artículo. «El equipo trató de manipular la estructura electrónica y descubrió que el material puede albergar skyrmions cuando se rompe la simetría».

Otros autores de Berkeley Lab en el artículo incluyeron a Robert Birgeneau, Jeff Neaton, Peter Fischer, Jie Yao, Kaichen Dong y Rui Chen.

Zhang usó microscopía de fuerza magnética para obtener imágenes de los skyrmions sobre grandes áreas de tales cristales. Al seguir la evolución de los skyrmions en función de la temperatura y el campo magnético, los investigadores identificaron las condiciones físicas que llevaron a su estabilidad.

Además, al pasar una corriente eléctrica a través del material, los investigadores descubrieron que pueden hacer que los skyrmions se muevan dentro del material, independientemente de los átomos que condujeron a su formación en primer lugar.

Finalmente, David Raftrey, un estudiante graduado de Berkeley Lab y UC Santa Cruz, realizó estudios micromagnéticos para interpretar los patrones electrónicos observados en estos materiales.

Debido a que los materiales en capas se pueden fabricar en una amplia gama de espesores a temperatura ambiente y superior, los investigadores creen que sus propiedades magnéticas se pueden mejorar y ampliar. «Estamos interesados ​​en la microelectrónica, pero las preguntas fundamentales sobre la física de los materiales nos inspiran mucho», dijo Zhang.



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