Исследование Скирмиона - Применение АСМ в НВ-центре Quantum Diamond

Можете ли вы представить себе жесткий диск ноутбука размером с рисовое зернышко? Скирмион, загадочная квазичастичная структура в магнитном поле, может воплотить эту, казалось бы, немыслимую идею в реальность, имея больше места для хранения и более высокую скорость передачи данных для этого «рисового зернышка». Так как же наблюдать эту странную структуру частиц? CIQTEK Quantum Diamond Atomic Силовой микроскоп (QDAFM), основанный на азотно-вакансионном центре (NV) при сканировании алмаза и АСМ, может дать вам ответ.

 

 

Что такое Скирмион

 

С быстрым развитием крупномасштабных интегральных схем, чип процесса в нанометровом масштабе, квантовый эффект постепенно выдвигается на первый план, и "Закон Мура" столкнулся с физическими ограничениями. В то же время, при такой высокой плотности интегрированных электронных компонентов на кристалле, проблема рассеивания тепла стала огромной проблемой. Людям срочно нужна новая технология, чтобы преодолеть узкое место и способствовать устойчивому развитию интегральных схем.

 

Устройства спинтроники могут достичь более высокой эффективности хранения, передачи и обработки информации за счет использования спиновых свойств электронов, что является важным способом решения вышеупомянутой дилеммы. Ожидается, что в последние годы топологические свойства магнитных структур и связанные с ними приложения станут носителями информации для устройств спинтроники следующего поколения, которые в настоящее время являются одной из горячих точек исследований в этой области.

 

Скирмион (далее именуемый магнитным скирмионом) представляет собой топологически защищенную спиновую структуру с квазичастичными свойствами и, как особый вид магнитной доменной стенки, его структура представляет собой распределение намагниченности с вихрями. Подобно магнитной доменной границе, в скирмионе также существует переворот магнитного момента, но в отличие от доменной стенки скирмион представляет собой вихревую структуру, и его переворот магнитного момента происходит от центра наружу, а распространенные из них - блоховского типа. скирмионы и скирмионы типа Нееля.

 

Рисунок 1:  Принципиальная схема структуры скирмиона. (а) Скирмионы типа Нееля (б) Скирмионы типа Блоха

 

Скирмион — естественный носитель информации с превосходными свойствами, такими как простота манипулирования, легкая стабильность, небольшой размер и высокая скорость движения. Таким образом, ожидается, что электронные устройства на основе скирмионов будут соответствовать требованиям к производительности для будущих устройств с точки зрения энергонезависимости, высокой емкости, высокой скорости и низкого энергопотребления.

 

Каковы применения скирмионов

 

Память о ипподроме Скирмиона

Память на беговой дорожке использует магнитные нанопроволоки в качестве дорожек и стенки магнитных доменов в качестве носителей, при этом электрический ток приводит в движение границы магнитных доменов. В 2013 году исследователи предложили память на беговой дорожке Скирмион, которая является более многообещающей альтернативой. По сравнению с плотностью тока возбуждения магнитной доменной границы скирмион на 5-6 порядков меньше, что может привести к меньшему энергопотреблению и тепловыделению. За счет сжатия скирмионов расстояние между соседними скирмионами и диаметр скирмионов могут быть одного порядка, что может привести к более высокой плотности хранения.

 

Рис. 2. Память Racetrack на основе Skyrmion

 

Скирмион Транзистор

Скирмионы также можно использовать в транзисторах, открывая новые идеи для разработки полупроводников. Как показано на рисунке 3, скирмион генерируется на одном конце устройства с помощью MTJ (магнитного туннельного перехода), за которым следует ток спиновой поляризации, который направляет скирмион к другому концу. Для достижения коммутационного состояния транзистора в середине устройства установлен затвор. При подаче напряжения на затвор создается электрическое поле, которое может изменять перпендикулярную магнитную анизотропию материала и, таким образом, контролировать включение/выключение скирмиона. Когда напряжение не приложено, скирмион может пройти через затвор на другой конец устройства, и это состояние определяется как включенное состояние; при приложении внешнего электрического поля скирмион не проходит через затвор, и это состояние определяется как выключенное состояние.

 

Рисунок 3. Транзистор Скирмиона.

 

Нетрадиционные вычисления на основе Скирмиона

По сравнению с обычными вычислительными блоками нейроморфные вычислительные блоки обладают преимуществами низкого энергопотребления и крупномасштабных вычислений с точки зрения нейронных сетей. Для производства нейроморфных вычислительных блоков необходимо удовлетворить требования нанометрового размера, энергонезависимости и низкого энергопотребления. Skyrmion открывает новые возможности для таких устройств. Скирмион обладает контролируемой подвижностью, что позволяет хорошо имитировать биологические нервы, и в то же время скирмион может более эффективно избавляться от эффекта привязки примесей, что делает их более надежными.

 

Рисунок 4:  (a) Нейронное вычислительное устройство на основе Skyrmion (b) Стохастическое вычислительное устройство на основе Skyrmion

 

Скирмионы также можно использовать в случайных вычислительных устройствах. В то время как основные вычислительные методы кодируют значения в обычном двоичном формате, случайные вычисления могут непрерывно обрабатывать случайный поток битов. Обычные полупроводниковые схемы используют комбинацию генераторов псевдослучайных чисел и регистров сдвига для генерации сигналов, что имеет недостаток: высокая стоимость оборудования и низкая энергоэффективность. Исследователи недавно обнаружили термически индуцированную генерацию скирмионов, как теоретически, так и экспериментально, что обеспечивает основу для случайных вычислительных устройств на основе скирмионов.

 

Квантово-алмазный атомно-силовой микроскоп CIQTEK в применении исследований Скирмиона

 

Изучение скирмионов невозможно осуществить без подходящих методов наблюдения, и для наблюдения скирмионов в реальном пространстве обычно используются следующие методы:

Лоренц-просвечивающая электронная микроскопия (ЛПЭМ), принцип которой заключается в использовании электронного луча для проникновения в образец и регистрации силы Лоренца, действующей на электроны; магнитно-силовая микроскопия (МСМ), в которой используется магнитный наконечник для регистрации сил магнитного поля на поверхности образца с использованием методов атомно-силовой микроскопии; Рентгеновская микроскопия, принцип которой заключается в том, что скорость поглощения рентгеновских лучей может отражать магнитное поле образца; и магнитооптическая микроскопия Керра (Moke), которая использует магнитооптический эффект Керра для измерения распределения намагниченности. Каждый из этих наблюдательных инструментов имеет свои ограничения, такие как высокие требования к размеру выборки LTEM, плохое пространственное разрешение Moke и магнитные свойства зонда MFM, которые могут повлиять на получение изображений скирмионов.

 

В последние годы внимание исследователей привлекло существование особой дефектной структуры в алмазах — азотно-вакансионного (NV) центра. Интенсивность компонента магнитного поля на оси NV можно получить, манипулируя и считывая квантовое состояние электронного спина NV-центра с помощью микроволнового излучения и лазера.

 

Сканирующая зондовая микроскопия центра NV (СЗМ) представляет собой интеграцию NV-центра в алмазе в наконечник зонда АСМ в сочетании с методом сканирования АСМ для получения результатов магнитных доменов на поверхности образца с преимуществами очень высокой чувствительности (1 мкТл/ Гц1/2), пространственное разрешение (10 нм) и неинвазивность. НВ-СЗМ используется для изучения различных представляющих интерес магнитных структур, таких как сканирование магнитных вихревых гетеродинных полей, что позволяет определять полярность и хиральность ядер магнитных вихрей; измерение конформации магнитных доменных границ и наблюдение динамики доменных границ при модуляции.

 

Целью исследователей является изучение новых материалов и получение скирмиона, стабильного при комнатной температуре, с нулевыми полями, небольшого размера и с которым легко манипулировать. СЗМ Diamond NV center хорошо подходит для количественной магнитной визуализации скирмионов с высоким разрешением при комнатной температуре. 

 

В настоящее время НВ-СЗМ весьма успешно изучает структуру намагниченности  скирмионов  и связанные с ней физические процессы. Например:

1) Реконструкция структуры намагниченности по распределению поля рассеяния скирмиона.

Рисунок 5: NV-сканирующая зондовая микроскопия для определения структуры намагниченности скирмиона. 

(Масштаб: 500 нм)

2) Изучение структурной морфологии скирмионов. Например, группа Жака изучала морфологию скирмионов в ферромагнитных мультислоях Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

Рисунок 6:  NV-сканирующий зондовый микроскоп для изучения морфологии скирмионов.

 

3) Наблюдение собственной кинетической эволюции скирмиона. Например, группа «Ания» изучала развитие скирмиона в системе Ta/CoFeB/MgO при изменении внешнего магнитного поля.

 

Рис. 7.  NV-сканирующий зондовый микроскоп для изучения скирмиона во внешнем магнитном поле.

 

 

4) Исследование кинетического процесса скирмионов, управляемых током.

 

Рисунок 8:  Сканирующий зондовый микроскоп NV, используемый для изучения динамики скирмионов, управляемых током.

 

Сканирующий зондовый микроскоп CIQTEK NV. Квантовый алмазный атомно-силовой микроскоп (QDAFM) обладает уникальными преимуществами: он неинвазивный, может охватывать широкий диапазон температур и большой диапазон измерения магнитного поля. Его можно применять для двумерной магнитной визуализации материалов, визуализации нанотоков, сверхпроводниковой вихревой магнитной визуализации и клеточной магнитной визуализации, а также он имеет широкий спектр применений в квантовой науке, химии и материаловедении, а также в биологии и медицине. области исследований.

 

Квантовый алмазный атомно-силовой микроскоп CIQTEK

( Версия для окружающей среды и криогенная версия)