在能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)工作的一组科学家证实了一种称为“手性”的特殊属性 - 可能被用来以新的方式传输和存储数据 - 纳米厚具有无序结构的多层材料样品。

虽然大多数电子设备依赖于电子的电荷流动，但科学界正热切地寻找通过设计材料和方法来控制其他固有电子特性的新方法来彻底改变电子学，例如它们围绕原子的轨道和旋转，这可能是被认为是指向不同方向的罗盘针。

科学家希望，这些特性可以通过促进自旋电子学实现更快，更小，更可靠的数据存储 - 其中一个方面是利用自旋电流来操纵域和畴壁。自旋电子设备驱动的设备可以产生比传统设备更少的热量并且需要更少的功率。

在 5 月 23 日在线版“ 高级材料 ”杂志上发表的最新研究中，在伯克利实验室的分子铸造和先进光源(ALS)工作的科学家证实了过渡区域的手性或手性 - 称为畴壁 -在具有相反自旋的相邻磁畴之间。

科学家们希望控制手性 - 类似于右手或左手 - 来控制磁畴并像传统的计算机存储器一样传送零点和手指。

样品由钆和钴的非晶合金组成，夹在铂和铱的超薄层之间，已知它们会强烈影响相邻的自旋。

现代计算机电路通常使用基于硅的晶体形式的硅晶片，其具有规则有序的结构。在这项最新研究中，实验中使用的材料样品是无定形的或非晶体的，这意味着它们的原子结构是无序的。

实验表明，这些畴壁的磁性能具有显着的手性，可能会翻转到相反的位置。这种翻转机制是自旋电子学和基于电子自旋特性的变异研究领域的关键使能技术。

科学团队致力于确定元素的正确厚度，浓度和分层，以及其他因素，以优化这种手性效应。

“现在我们已经证明我们可以在无定形薄膜中具有手性磁性，这是以前没有人表现出来的，”该研究的主要作者，伯克利实验室材料科学部的博士后研究员罗伯特·斯特鲁贝尔说。他说，实验的成功开启了控制畴壁的某些特性的可能性，例如手性，温度，以及用光转换材料的手性特性。

Streubel 指出，尽管结构无序，但也可以制造无定形材料，以克服自旋电子应用中晶体材料的一些局限性。“我们想研究这些更容易制造的更复杂的材料，特别是对于工业应用。”

该研究团队在伯克利实验室的分子铸造厂获得了一种独特的高分辨率电子显微镜技术，并以所谓的洛伦兹观察模式进行了实验，以对材料样品的磁性进行成像。他们将这些结果与 ALS 的 X 射线技术相结合，称为磁性圆二色光谱，以确认样品中的纳米级磁性手征。

Molecular Foundry 的国家电子显微镜中心采用的洛伦兹显微镜技术提供了解析称为自旋纹理的磁畴特性所需的数十纳米分辨率。

“这种仪器的高空间分辨率使我们能够看到畴壁中的手性 - 我们浏览了整个材料堆，”该研究的联合负责人和实验室的高级科学家科学家 Peter Fischer 说。材料科学部。

Fischer 指出，越来越精确，高分辨率的实验技术 - 例如使用电子束和 X 射线 - 现在允许科学家探索缺乏明确结构的复杂材料。

“我们现在正在寻找新型探头，”他说，正在向更小规模钻探。“新材料和发现经常出现在材料的界面上，这就是为什么我们会问：当你将一层放在另一层时会发生什么?这又如何影响自旋纹理，这是材料旋转方向的磁性景观? “

Fischer 说，终极研究工具即将出现下一代电子和 X 射线探头，它将使科学家能够直接以原子分辨率观察飞秒中材料界面发生的磁转换(千万亿分之一秒的时间尺度。

“因此，我们的下一步是进入无定形系统中这些畴壁的手性动力学：在移动时对这些畴壁进行成像，并观察原子如何组装在一起，”他说。Streubel 补充说：“在几乎所有方面都需要进行深入研究。每件作品本身都会带来挑战。” 将洛伦兹显微镜结果输入由 Streubel 定制的数学算法，以识别畴壁类型和手性。另一个挑战是使用称为溅射的传统技术优化样品生长以实现手性效应。

该算法和实验技术现在可以应用于未来研究中的一整套样本材料，并且“应该针对不同的目的推广到不同的材料，”他说。

该研究团队还希望他们的工作可能有助于推动与旋转轨道相关的研发，其中“拓扑保护”(稳定和弹性)旋转纹理称为skyrmions 可能会取代材料中微小畴壁的传播，从而导致更小更快的计算功耗低于传统设备的设备。