Özel ısıl işlem, yeni manyetik malzemeyi iyileştiriyor
Skyrmions küçük manyetik girdaplar muazzam veri depolama ve işleme kapasitelerine ulaşabilecek yarının bilgi bellek cihazları için umut verici adaylar olarak kabul ediliyor. Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) liderliğindeki bir araştırma ekibi, bu manyetik girdapları barındıran belirli bir manyetik ince film malzemesini büyütmek için bir yöntem geliştirdi. HZDR, Leibniz Katı Hal ve Malzeme Araştırma Enstitüsü Dresden, TU Dresden (TUD) bilim adamlarından oluşan uluslararası ekip olarak, bu yeni yöntemin merkezi bir yönü, malzemenin kısa, çok parlak ışık flaşlarıyla aniden ısıtılmasıdır.
2009’da bir araştırma ekibi dikkate değer bir keşifte bulundu: Manganez silisit adı verilen bir materyalde – bir manganez ve silikon alaşımında – minik manyetik girdapların oluşabileceğini buldular. O zamandan beri, İngiliz fizikçi Tony Skyrme’nin adını taşıyan bu skyrmions, gelecekteki manyetik depolama cihazları için gelecek vaat eden adaylar olarak görülüyor. Yüzeyler üzerinde kolaylıkla oluşturulabilir ve silinebilirler ve birkaç nanometreden (metrenin milyarda biri) daha büyük değildirler, bu da onları günümüzün yaklaşık 50 nanometre ölçen sabit disklerindeki manyetik bitlerden çok daha küçük kılar.
HZDR’nin İyon Işını Fiziği ve Malzeme Araştırma Enstitüsü’nden fizikçi Dr. Shengqiang Zhou, “Ek olarak, mevcut sabit disklerde olduğu gibi, hava akımları manyetik alanlara göre elektrikle daha iyi hedeflenebilir,” diye açıklıyor. “Elektrik akımıyla hedefleme, daha iyi ölçeklenebilirlik elde etmemizi sağlıyor ve bu da gelecekte çok daha yoğun ve daha hızlı depolama cihazları oluşturmamızı sağlayabilir.” Ancak bu yolda hala üstesinden gelinmesi gereken bazı engeller var. Diğer şeylerin yanı sıra, silikon ve manganez, manganez silisit kristalleri oluşturduklarında elverişsiz bir özellik sergiler: Sürekli olarak tek bir spesifik, iyi tanımlanmış faz üretmek yerine, iki element birçok farklı kristal faz oluşturabilir. B20 fazı olarak bilinen Mn-Si alaşımından ince filmler, özellikle skyrmion oluşumu için uygundur.
İstenmeyen kristal fazlar
Bu alaşımın üretilmesi kolay olmaktan başka bir şey değildir, çünkü MnSi1.7 olarak adlandırılan başka bir istenmeyen kristal faz, kaçınılmaz olarak üretim sürecinde oluşur, bu da parazit oluşumunu engeller veya engeller. Spesifik olarak, daha düşük sıcaklıklar ve malzemenin daha yavaş soğutulması, MnSi1.7’yi destekler. Shengqiang Zhou’nun ekibi şimdi onun oluşumunu önleyen ve sadece ince kusursuz B20-MnSi katmanları bırakan bir yöntem geliştirdi.
Yeni sürecin temel unsuru özel bir ısıl işlemdir. “Bu biraz krep yapmaya benziyor,” diye açıklıyor Zhou. “Dışı çıtır çıtır, içi mümkün olduğu kadar yumuşak olduğunda tadı en iyisidir.” Hamuru sıcak bir tavaya döktüğünüzde, o kadar hızlı pişer ki içi güzel ve yumuşak kalır. Ancak hamuru fırında pişirdiğinizde çok daha eşit şekilde ısınır ve her tarafı sertleşir – ve oldukça vasat bir krep elde edersiniz.
Flaşlarla ısıtma
Bu yüzden uzmanlar, modelleri olarak bu hızlı ve yoğun ısıtmadan oluşan gözleme stratejisini kullandılar. Zhou mantığını şöyle açıklıyor: “Bir silikon gofretin üzerine yerleştirilmiş ince bir manganez filmi çok kısa bir süre ısıttığımızda, malzemeye çok az enerji katıyoruz.” “Bu, hızlı soğuyacağı anlamına geliyor – o kadar hızlı ki, aslında istenmeyen MnSi1.7’nin oluşacak zamanı olmayacak.” Buradaki zorluk, bir şeyin aynı anda hızlı ve kuvvetli bir şekilde nasıl ısıtılacağıdır. Araştırma grubu, çözümü parlak, yoğun beyaz ışık flaşlarında buldu.
Bu tür flaşlar, Rossendorf kampüsünde bulunan bir Helmholtz İnovasyon Laboratuvarı olan “BlitzLab” da oluşturulabilir. Shengqiang Zhou, çeşitli ölçüm serileri varsayımı doğruladı: “Flaşların gücünü değiştirerek, farklı kristal fazlarının oranını büyük bir hassasiyetle ayarlayabildik”. “Nispeten güçlü güçleri uyguladığımızda, umduğumuz gibi saf B20-MnSi’den ince filmler oluştu.”
Sonuç olarak, bu katmanlarda üretilebilen skyrmions artık bu malzemede daha önce gözlemlenenden çok daha geniş bir sıcaklık ve manyetik alan aralığında stabildir. Manganez silisidinin kendisi, yalnızca çok düşük sıcaklıklarda çalıştığı için pratik kullanım için uygun olmayacaktır. Ancak diğer, daha pratik malzemeler için önemli bir model görevi görebilir. Zhou, “Pek çok alaşım, farklı aşamalara sahip olma sorununu ortaya çıkarıyor” diye açıklıyor. “Ve bizim yaklaşımımız gelecekte bu aşamaların ayrılmasına yardımcı olabilir.”
Gelişmiş Fonksiyonel Malzemeler (2021). DOI: 10.1002 / adfm.202009723