Estudo de Skyrmion - Aplicações AFM do centro Quantum Diamond NV

Você consegue imaginar um disco rígido de laptop do tamanho de um grão de arroz? Skyrmion, uma misteriosa estrutura de quase-partículas no campo magnético, poderia tornar esta ideia aparentemente impensável uma realidade, com mais espaço de armazenamento e taxas de transferência de dados mais rápidas para este "grão de arroz". Então, como observar esta estranha estrutura de partículas? O CIQTEK Quantum Diamond Atomic O Microscópio de Força (QDAFM), baseado no centro de vacância de nitrogênio (NV) em imagens de varredura de diamante e AFM, pode lhe dar a resposta.

 

 

O que é Skyrmion

 

Com o rápido desenvolvimento de circuitos integrados em grande escala, o processo de chip em escala nanométrica, o efeito quântico é gradualmente destacado, e a "Lei de Moore" encontrou limites físicos. Ao mesmo tempo, com uma densidade tão alta de componentes eletrônicos integrados no chip, o problema da dissipação térmica tornou-se um enorme desafio. As pessoas precisam urgentemente de uma nova tecnologia para romper o gargalo e promover o desenvolvimento sustentável de circuitos integrados.

 

Os dispositivos spintrônicos podem alcançar maior eficiência no armazenamento, transferência e processamento de informações, explorando as propriedades de spin dos elétrons, o que é uma forma importante de superar o dilema acima. Nos últimos anos, espera-se que as propriedades topológicas em estruturas magnéticas e suas aplicações relacionadas sejam os portadores de informação dos dispositivos spintrônicos da próxima geração, que é um dos atuais pontos de pesquisa neste campo.

 

O skyrmion (doravante denominado skyrmion magnético) é uma estrutura de spin topologicamente protegida com propriedades de quase-partículas e, como um tipo especial de parede de domínio magnético, sua estrutura é uma distribuição de magnetização com vórtices. Semelhante à parede do domínio magnético, há também uma mudança de momento magnético no skyrmion, mas ao contrário da parede de domínio, o skyrmion é uma estrutura de vórtice, e sua mudança de momento magnético é do centro para fora, e os comuns são do tipo Bloch skyrmions e skyrmions do tipo Neel.

 

Figura 1:  Diagrama esquemático da estrutura do skyrmion. (a) Skyrmions do tipo Neel (b) Skyrmions do tipo Bloch

 

O skyrmion é um portador natural de informações com propriedades superiores, como fácil manipulação, fácil estabilidade, tamanho pequeno e alta velocidade de condução. Portanto, espera-se que os dispositivos eletrônicos baseados em skyrmions atendam aos requisitos de desempenho para dispositivos futuros em termos de não volátil, alta capacidade, alta velocidade e baixo consumo de energia.

 

Quais são as aplicações dos Skyrmions

 

Memória da pista de corrida Skyrmion

A memória Racetrack usa nanofios magnéticos como trilhas e paredes de domínio magnético como transportadores, com corrente elétrica impulsionando o movimento das paredes do domínio magnético. Em 2013, os pesquisadores propuseram a memória da pista de corrida skyrmion, que é uma alternativa mais promissora. Comparado com a densidade de corrente de acionamento de uma parede de domínio magnético, o skyrmion é 5-6 ordens de magnitude menor, o que pode levar a menor consumo de energia e geração de calor. Ao comprimir os skyrmions, a distância entre os skyrmions adjacentes e o diâmetro do skyrmion pode ser da mesma ordem de grandeza, o que pode levar a uma maior densidade de armazenamento.

 

Figura 2: Memória de pista baseada em Skyrmion

 

Transistor Skyrmion

Skyrmions também podem ser usados ​​na direção de transistores, abrindo novas ideias para o desenvolvimento de semicondutores. Conforme mostrado na Figura 3, um skyrmion é gerado em uma extremidade do dispositivo usando uma MTJ (junção de túnel magnético), seguida por uma corrente de polarização de spin para conduzir o skyrmion em direção à outra extremidade. Para atingir o estado de comutação do transistor, uma porta é instalada no meio do dispositivo. Ao aplicar uma tensão à porta, é gerado um campo elétrico, que pode alterar a anisotropia magnética perpendicular do material e assim controlar o liga/desliga do skyrmion. Quando nenhuma tensão é aplicada, o skyrmion pode passar pela porta até a outra extremidade do dispositivo, e este estado é definido como ligado; quando um campo elétrico externo é aplicado, o skyrmion não passa pela porta, e este estado é definido como estado desligado.

 

Figura 3: Transistor Skyrmion

 

Computação não convencional baseada em Skyrmion

Em comparação com unidades de computação convencionais, as unidades de computação neuromórficas têm as vantagens de baixo consumo de energia e computação em larga escala em termos de redes neurais. Para fabricar unidades de computação neuromórficas, é necessário atender aos requisitos de tamanho nanométrico, não volatilidade e baixo consumo de energia. Skyrmion traz novas possibilidades para tais dispositivos. Skyrmion tem mobilidade controlada, que pode simular bem os nervos biológicos e, ao mesmo tempo, skyrmion pode se livrar do efeito de fixação de impurezas com mais eficiência, o que os torna mais robustos.

 

Figura 4:  (a) Dispositivo de computação neural baseado em Skyrmion (b) Dispositivo de computação estocástica baseado em Skyrmion

 

Skyrmions também podem ser usados ​​em dispositivos de computação aleatórios. Embora as principais técnicas de computação codifiquem valores no formato binário convencional, a computação aleatória pode processar continuamente um fluxo aleatório de bits. Os circuitos semicondutores convencionais usam uma combinação de geradores de números pseudo-aleatórios e registradores de deslocamento para gerar sinais, o que tem a desvantagem de alto custo de hardware e baixa eficiência energética. Pesquisadores descobriram recentemente uma geração de skyrmions induzida termicamente, tanto teórica quanto experimentalmente, que fornece a base para dispositivos de computação aleatória baseados em skyrmion.

 

Microscópio de força atômica de diamante quântico CIQTEK na aplicação da pesquisa Skyrmion

 

O estudo dos skyrmions não pode ser realizado sem técnicas de observação adequadas, e as seguintes técnicas são comumente usadas para observar skyrmions no espaço real:

Microscopia eletrônica de transmissão de Lorentz (LTEM), cujo princípio é usar um feixe de elétrons para penetrar na amostra e registrar a força de Lorentz sobre os elétrons; microscopia de força magnética (MFM), que utiliza uma ponta magnética para registrar as forças do campo magnético na superfície da amostra usando técnicas de microscopia de força atômica; Microscopia de raios X, cujo princípio é que a taxa de absorção dos raios X pode refletir o campo magnético da amostra; e microscopia magneto-óptica Kerr (Moke), que usa o efeito magneto-óptico Kerr para medir a distribuição de magnetização. Cada uma dessas ferramentas observacionais tem suas limitações, como os exigentes requisitos de tamanho de amostra do LTEM, a baixa resolução espacial do Moke e as propriedades magnéticas da ponta do MFM que podem afetar a imagem dos skyrmions.

 

Nos últimos anos, a existência de uma estrutura especial de defeitos em diamantes, o centro Nitrogen-Vacancy (NV), tem atraído a atenção dos pesquisadores. A intensidade do componente do campo magnético no eixo NV pode ser obtida manipulando e lendo o estado quântico do spin do elétron do centro NV por micro-ondas e laser.

 

A microscopia de sonda de varredura central NV (SPM) é a integração do centro NV em diamante na ponta da sonda AFM, combinada com a técnica de varredura AFM para obter resultados de domínio magnético na superfície da amostra, com as vantagens de sensibilidade muito alta (1 uT/ Hz1/2), resolução espacial (10 nm) e não invasividade. O NV SPM é usado para estudar uma variedade de estruturas magnéticas de interesse, como a varredura de campos heteródinos de vórtices magnéticos, permitindo a determinação da polaridade e quiralidade de núcleos de vórtices magnéticos; medir a conformação de paredes de domínio magnético e observar a dinâmica de paredes de domínio sob modulação.

 

Os pesquisadores pretendem estudar novos materiais e preparar skyrmion que seja estável à temperatura ambiente, com campo zero, pequeno em tamanho e fácil de manipular. O SPM do centro Diamond NV é adequado para imagens magnéticas quantitativas de alta resolução de skyrmions em temperatura ambiente. 

 

Atualmente, o NV SPM tem tido bastante sucesso no estudo da estrutura de magnetização dos  skyrmions  e dos processos físicos relacionados. Por exemplo:

1) Reconstruindo a estrutura de magnetização com base na distribuição de campo parasita do skyrmion.

Figura 5: Microscopia de sonda de varredura NV para resolver a estrutura de magnetização do skyrmion 

(Barra de escala: 500 nm)

2) Estudo da morfologia estrutural dos skyrmions. Por exemplo, o grupo de Jacques estudou a morfologia do skyrmion em multicamadas ferromagnéticas Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

Figura 6:  Microscópio de sonda de varredura NV para estudar a morfologia do skyrmion

 

3) Observação da evolução cinética intrínseca do skyrmion. Por exemplo, o grupo Ania estudou o desenvolvimento do skyrmion no sistema Ta/CoFeB/MgO sob a variação do campo magnético externo.

 

Figura 7:  Microscópio de sonda de varredura NV para estudar o skyrmion sob campo magnético externo

 

 

4) Estudo do processo cinético de skyrmions movidos por corrente.

 

Figura 8:  Microscópio de sonda de varredura NV usado para estudar a dinâmica de skyrmions acionados por corrente

 

Microscópio de sonda de varredura CIQTEK NV - Microscópio de força atômica de diamante quântico (QDAFM), tem as vantagens exclusivas de ser não invasivo, pode cobrir uma ampla faixa de temperatura, grande faixa de medição de campo magnético. Pode ser aplicado a imagens magnéticas de materiais bidimensionais, imagens de nanocorrentes, imagens magnéticas de vórtice supercondutor e imagens magnéticas celulares, e tem uma ampla gama de aplicações em ciência quântica, química e ciência de materiais, bem como biológicas e médicas. campos de pesquisa.

 

Microscópio de força atômica de diamante quântico CIQTEK

( A versão ambiente e a versão criogênica)