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據(jù)報(bào)道， 近日，一組來自能源部勞倫斯•伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們證實(shí)了“手性”這種特殊性質(zhì)，在具有無序結(jié)構(gòu)的納米級(jí)厚的多層材料樣品中，這種特殊性質(zhì)可能以新的方式傳輸和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。
雖然大多數(shù)電子設(shè)備都依賴于電子電荷的流動(dòng)，但科學(xué)界正狂熱地通過設(shè)計(jì)材料和方法來控制其他固有的電子特性，從而尋找新的方法，例如控制它們圍繞原子的軌道和自旋，從而使電子發(fā)生革命性的變化，這些特性可以被認(rèn)為是一個(gè)被調(diào)整為面向不同方向的指南針。
科學(xué)家們希望，這些特性可以通過促進(jìn)自旋電子學(xué)來實(shí)現(xiàn)更快、更小和更可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，自旋電子學(xué)的一個(gè)方面是利用自旋電流來操縱域和域壁。自旋電子驅(qū)動(dòng)的裝置在消耗更少的功率情況下可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)裝置更少的熱量。
在《先進(jìn)材料》期刊上詳述的最新研究中，伯克利實(shí)驗(yàn)室分子鑄造和高級(jí)光源( ALS )工作的科學(xué)家們證實(shí)，在自旋相反的相鄰磁疇之間的過渡區(qū)域(稱為疇壁)中存在手性或手性。
科學(xué)家們希望控制手性來控制磁疇，類似于右利手或左利手，并像傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器一樣傳遞0和1。
樣品是由釓和鈷的非晶合金組成，然后將它們夾在鉑和銥的超薄層之間，已知它們強(qiáng)烈影響相鄰自旋。
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)電路通常使用基于晶體形式的硅晶片，其具有規(guī)則有序的結(jié)構(gòu)。在這項(xiàng)最新的研究中，實(shí)驗(yàn)中使用的材料樣品是無定形或非晶態(tài)的，這意味著它們的原子結(jié)構(gòu)是無序的。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這些疇壁的磁特性中的主導(dǎo)手性可能被翻轉(zhuǎn)到相反的方向。這種翻轉(zhuǎn)機(jī)制是自旋電子學(xué)和基于電子自旋特性的各種研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。
然后，科研小組致力于確定元素的正確厚度、濃度和分層以及其他因素，從而優(yōu)化這種手性效應(yīng)的相關(guān)研究。
這項(xiàng)研究的主要作者、伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部博士后Robert Streubel說:“現(xiàn)在我們可以證明在非晶薄膜中擁有手性磁性，這是以前沒有人展示過的。”他還稱，實(shí)驗(yàn)的成功打開了用溫度控制疇壁某些性質(zhì)的可能性，例如手性，以及用光轉(zhuǎn)換材料手性性質(zhì)的可能性。
Streubel指出：“非晶材料盡管結(jié)構(gòu)混亂，但也可以制造出來，從而可以克服自旋電子學(xué)應(yīng)用中晶體材料的一些局限性。我們想研究那些在工業(yè)應(yīng)用中更容易制造得復(fù)雜材料。”
研究小組在伯克利實(shí)驗(yàn)室的分子鑄造廠獲得了一種獨(dú)特的高分辨率電子顯微鏡技術(shù)，并以所謂的洛倫茲觀察模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而成像分析樣品材料的磁性。他們將這些結(jié)果與ALS的X射線技術(shù)(稱為磁圓二色性光譜)的結(jié)果相結(jié)合，以確認(rèn)樣品中納米級(jí)的磁手性。
分子鑄造公司國家電子顯微鏡中心采用洛倫茲顯微鏡技術(shù)為解析自旋織構(gòu)的磁疇特性提供了所需的幾十納米分辨率。
該研究的共同負(fù)責(zé)人、實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部高級(jí)職員科學(xué)家Peter Fischer說:“這種儀器的高空間分辨率讓我們可以看到疇壁的手性，而且我們可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整疊材料的觀察研究。”
Peter Fischer指出，像使用電子束和X射線這種越來越精確、高分辨率的實(shí)驗(yàn)技術(shù)為科學(xué)家探索缺乏明確結(jié)構(gòu)的復(fù)雜材料提供了保證。
Peter Fischer 表示：“我們現(xiàn)在正在尋找新的探測器，從而深入到越來越小的層次上。新的性質(zhì)和發(fā)現(xiàn)經(jīng)常發(fā)生在材料的界面上，這就是為什么我們要問：當(dāng)你把材料一層接一層地放在另一層上時(shí)會(huì)發(fā)生什么？那么這對(duì)自旋紋理有何影響呢？自旋紋理是一種材料自旋取向的磁性景觀？”
Peter Fischer稱，即將問世的下一代電子和X射線探針，將使科學(xué)家們能夠直接在原子分辨率級(jí)別觀察到在飛秒(即數(shù)十億分之一秒)時(shí)間尺度下材料界面發(fā)生的磁轉(zhuǎn)換。
Peter Fischer說；“因此，我們的下一步工作是研究非晶系統(tǒng)中這些疇壁的手性動(dòng)力學(xué)：即在這些疇壁移動(dòng)時(shí)成像，并觀察原子是如何組裝在一起的。”
Streubel補(bǔ)充道：“這是一項(xiàng)非常深入的研究，幾乎涉及所有需要的方面。每一件事都具有挑戰(zhàn)性。”洛倫茲顯微術(shù)的結(jié)果被輸入到由Streubel定制的數(shù)學(xué)算法中，以識(shí)別疇壁類型和手性。另一個(gè)挑戰(zhàn)是使用稱為濺射的常規(guī)技術(shù)優(yōu)化樣品生長從而實(shí)現(xiàn)手性效應(yīng)。
他還表示：“該算法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)在可以在未來的應(yīng)用到一整套樣本材料中，應(yīng)該還可以推廣到不同用途的不同材料中。”
研究小組還希望，他們的研究工作有助于推動(dòng)與自旋軌道電子相關(guān)的研發(fā)，在這些研究中，被稱為skyrmions的“拓?fù)浔Ｗo(hù)”(穩(wěn)定和彈性)自旋紋理有可能取代材料中微小疇壁的傳播，并實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)設(shè)備更小、更快的計(jì)算設(shè)備和更低的功耗。
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