Studio delle applicazioni AFM del centro Skyrmion - Quantum Diamond NV

Riesci a immaginare un disco rigido di un laptop delle dimensioni di un chicco di riso? Skyrmion, una misteriosa struttura quasiparticellare nel campo magnetico, potrebbe trasformare questa idea apparentemente impensabile in realtà, con più spazio di archiviazione e velocità di trasferimento dati più elevate per questo "chicco di riso. Allora come osservare questa strana struttura particellare? Il CIQTEK Quantum Diamond Atomic Il Force Microscope (QDAFM), basato sul centro di azoto vacante (NV) nell'imaging a scansione di diamanti e AFM, può dirti la risposta.

 

 

Cos'è Skyrmion

 

Con il rapido sviluppo di circuiti integrati su larga scala, il processo dei chip su scala nanometrica, l'effetto quantistico viene gradualmente evidenziato e la "Legge di Moore" incontra limiti fisici. Allo stesso tempo, con una densità così elevata di componenti elettronici integrati nel chip, il problema della dissipazione termica è diventato una sfida enorme. Le persone hanno urgentemente bisogno di una nuova tecnologia per superare il collo di bottiglia e promuovere lo sviluppo sostenibile dei circuiti integrati.

 

I dispositivi spintronici possono raggiungere una maggiore efficienza nell’archiviazione, nel trasferimento e nell’elaborazione delle informazioni sfruttando le proprietà di spin degli elettroni, che è un modo importante per superare il dilemma di cui sopra. Negli ultimi anni si prevede che le proprietà topologiche nelle strutture magnetiche e le relative applicazioni diventeranno i portatori di informazioni dei dispositivi spintronici di prossima generazione, che è uno degli attuali punti caldi della ricerca in questo campo.

 

Lo skyrmion (di seguito denominato skyrmion magnetico) è una struttura di spin topologicamente protetta con proprietà quasiparticellari e, essendo un tipo speciale di parete del dominio magnetico, la sua struttura è una distribuzione di magnetizzazione con vortici. Similmente alla parete del dominio magnetico, c'è anche un'inversione del momento magnetico nello skyrmion, ma a differenza della parete del dominio, lo skyrmion è una struttura a vortice e l'inversione del momento magnetico è dal centro verso l'esterno, e quelli comuni sono di tipo Bloch skyrmion e skyrmion di tipo Neel.

 

Figura 1:  diagramma schematico della struttura di Skyrmion. (a) Skyrmion di tipo Neel (b) Skyrmion di tipo Bloch

 

Lo skyrmion è un portatore di informazioni naturale con proprietà superiori come facile manipolazione, facile stabilità, dimensioni ridotte e velocità di guida elevata. Pertanto, si prevede che i dispositivi elettronici basati sugli skyrmion soddisfino i requisiti prestazionali dei dispositivi futuri in termini di non volatile, alta capacità, alta velocità e basso consumo energetico.

 

Quali sono le applicazioni di Skyrmions

 

Memoria dell'ippodromo di Skyrmion

La memoria delle piste utilizza nanofili magnetici come tracce e pareti dei domini magnetici come trasportatori, con la corrente elettrica che guida il movimento delle pareti dei domini magnetici. Nel 2013, i ricercatori hanno proposto la memoria Skyrmion Racetrack, che rappresenta un’alternativa più promettente. Rispetto alla densità di corrente di azionamento di una parete di dominio magnetico, lo skyrmion è 5-6 ordini di grandezza più piccolo, il che può portare a un minore consumo di energia e generazione di calore. Comprimendo gli skyrmion, la distanza tra skyrmion adiacenti e il diametro dello skyrmion può essere dello stesso ordine di grandezza, il che può portare a una maggiore densità di stoccaggio.

 

Figura 2: Memoria della pista basata su Skyrmion

 

Transistor Skyrmion

Gli Skyrmion possono essere utilizzati anche nella direzione dei transistor, aprendo nuove idee per lo sviluppo dei semiconduttori. Come mostrato nella Figura 3, uno skyrmion viene generato a un'estremità del dispositivo utilizzando una MTJ (giunzione tunnel magnetica), seguito da una corrente di polarizzazione di spin per guidare lo skyrmion verso l'altra estremità. Per ottenere lo stato di commutazione del transistor, al centro del dispositivo è installato un gate. Applicando una tensione al gate, viene generato un campo elettrico che può modificare l'anisotropia magnetica perpendicolare del materiale e quindi controllare l'accensione/spegnimento dello skyrmion. Quando non viene applicata alcuna tensione, lo skyrmion può passare attraverso il gate fino all'altra estremità del dispositivo e questo stato è definito come stato acceso; quando viene applicato un campo elettrico esterno, lo skyrmion non passa attraverso il cancello e questo stato è definito come stato spento.

 

Figura 3: transistor Skyrmion

 

Calcolo non convenzionale basato su Skyrmion

Rispetto alle unità di calcolo convenzionali, le unità di calcolo neuromorfiche presentano i vantaggi di un basso consumo energetico e di un calcolo su larga scala in termini di reti neurali. Per produrre unità di calcolo neuromorfiche è necessario soddisfare i requisiti di dimensioni nanometriche, non volatilità e basso consumo energetico. Skyrmion offre nuove possibilità per tali dispositivi. Skyrmion ha una mobilità controllata, che può simulare bene i nervi biologici e, allo stesso tempo, Skyrmion può eliminare l'effetto di ancoraggio delle impurità in modo più efficiente, il che li rende più robusti.

 

Figura 4:  (a) Dispositivo di calcolo neurale basato su Skyrmion (b) Dispositivo di calcolo stocastico basato su Skyrmion

 

Gli Skyrmion possono essere utilizzati anche in dispositivi di calcolo casuale. Mentre le tecniche informatiche tradizionali codificano i valori nel formato binario convenzionale, il calcolo casuale può elaborare continuamente un flusso casuale di bit. I circuiti a semiconduttore convenzionali utilizzano una combinazione di generatori di numeri pseudo-casuali e registri a scorrimento per generare segnali, che presentano lo svantaggio di un costo hardware elevato e di una bassa efficienza energetica. I ricercatori hanno recentemente scoperto una generazione di skyrmioni indotta termicamente, sia teoricamente che sperimentalmente, che fornisce la base per dispositivi di calcolo casuale basati sugli skyrmion.

 

Microscopio a forza atomica a diamante quantistico CIQTEK nell'applicazione della ricerca Skyrmion

 

Lo studio degli skyrmion non può essere effettuato senza adeguate tecniche di osservazione, e le seguenti tecniche sono comunemente usate per osservare gli skyrmion nello spazio reale:

Microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz (LTEM), il cui principio è quello di utilizzare un fascio di elettroni per penetrare nel campione e registrare la forza di Lorentz sugli elettroni; microscopia a forza magnetica (MFM), che utilizza una punta magnetica per registrare le forze del campo magnetico sulla superficie del campione utilizzando tecniche di microscopia a forza atomica; Microscopia a raggi X, il cui principio è che il tasso di assorbimento dei raggi X può riflettere il campo magnetico del campione; e la microscopia Kerr magneto-ottica (Moke), che utilizza l'effetto Kerr magneto-ottico per misurare la distribuzione della magnetizzazione. Ciascuno di questi strumenti di osservazione ha i suoi limiti, come gli esigenti requisiti di dimensione del campione di LTEM, la scarsa risoluzione spaziale di Moke e le proprietà magnetiche della punta MFM che possono influenzare l’imaging degli skyrmion.

 

Negli ultimi anni, l’esistenza di una speciale struttura difettosa nei diamanti, il centro Nitrogen-Vacancy (NV), ha attirato l’attenzione dei ricercatori. L'intensità della componente del campo magnetico nell'asse NV può essere ottenuta manipolando e leggendo lo stato quantistico dello spin dell'elettrone del centro NV mediante microonde e laser.

 

La microscopia con sonda a scansione del centro NV (SPM) è l'integrazione del centro NV in diamante nella punta della sonda AFM, combinata con la tecnica di scansione AFM per ottenere risultati di domini magnetici sulla superficie del campione, con i vantaggi di una sensibilità molto elevata (1 uT/ Hz1/2), risoluzione spaziale (10 nm) e non invasività. L'NV SPM viene utilizzato per studiare una varietà di strutture magnetiche di interesse, come la scansione di campi eterodina di vortici magnetici, consentendo la determinazione della polarità e della chiralità dei nuclei di vortici magnetici; misurare la conformazione delle pareti dei domini magnetici e osservare la dinamica delle pareti dei domini sotto modulazione.

 

I ricercatori mirano a studiare nuovi materiali e a preparare uno skyrmion stabile a temperatura ambiente con campi zero, di piccole dimensioni e facile da manipolare. Il centro SPM Diamond NV è adatto per l'imaging magnetico quantitativo ad alta risoluzione di skyrmion a temperatura ambiente. 

 

Attualmente, NV SPM ha avuto un discreto successo nello studio della struttura di magnetizzazione degli  skyrmion  e dei relativi processi fisici. Per esempio:

1) Ricostruire la struttura della magnetizzazione in base alla distribuzione del campo disperso dello skyrmion.

Figura 5: Microscopia con sonda a scansione NV per risolvere la struttura di magnetizzazione dello skyrmion 

(Barra della scala: 500 nm)

2) Studio della morfologia strutturale degli skyrmioni. Ad esempio, il gruppo di Jacques ha studiato la morfologia degli skyrmion nei multistrati ferromagnetici Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

Figura 6:  Microscopio con sonda a scansione NV per studiare la morfologia dello skyrmion

 

3) Osservazione dell'evoluzione cinetica intrinseca dello skyrmion. Ad esempio, il gruppo Ania ha studiato lo sviluppo dello skyrmion nel sistema Ta/CoFeB/MgO sotto la variazione del campo magnetico esterno.

 

Figura 7:  Microscopio con sonda a scansione NV per studiare lo skyrmion sotto campo magnetico esterno

 

 

4) Studio del processo cinetico degli skyrmioni guidati da corrente.

 

Figura 8:  Microscopio con sonda a scansione NV utilizzato per studiare la dinamica degli skyrmioni guidati dalla corrente

 

Microscopio con sonda a scansione CIQTEK NV - Il microscopio a forza atomica a diamante quantistico (QDAFM), presenta i vantaggi unici di non essere invasivo, può coprire un ampio intervallo di temperature e un ampio intervallo di misurazione del campo magnetico. Può essere applicato all'imaging magnetico di materiali bidimensionali, all'imaging di nanocorrente, all'imaging magnetico di vortici superconduttori e all'imaging magnetico cellulare e ha una vasta gamma di applicazioni nella scienza quantistica, nella chimica e nella scienza dei materiali, nonché in biologia e medicina. campi di ricerca.

 

Microscopio a forza atomica a diamante quantistico CIQTEK

( La versione ambientale e la versione criogenica)