科学家揭示了纳米陀螺的磁状态

　　5月7日消息，由东北大学与英国、德国和瑞士的研究机构组成的多国研究小组揭示了纳米级陀螺管，类似3D手征网络状的纳米结构的磁状态。这些发现为研究非常规信息处理和与自旋电子学相关的新兴现象增加了新的候选系统。

　　图1：单螺旋网络的结构单元示意图。从一对顶点开始，这对顶点共享三个支柱之一，并且以“扭转”角偏移。中间的图像显示了顶点对如何构成一个陀螺单元格，右图显示了单元格如何组装成陀螺网络。（图片来源：贾斯汀·兰德罗、大卫·洛夫和安德烈斯·科瓦茨）

　　相互作用的纳米结构的阵列提供了前所未有的材料特性的能力，因为相互作用会引起新的“涌现”现象。迄今为止，这种磁性现象仅在2D人工人造冰和大型晶体中得到了证实。

　　但是，在实现磁性“超材料”方面的进展受到两个障碍的阻碍，这些“超材料”可以通过在3D中显示紧急效应来构成高级自旋电子器件的基础。第一个是需要在小于100nm的尺寸（与本征磁长度尺度相当）下制造复杂的3D构建块，第二个是可视化其磁结构的挑战。

　　因此，研究小组决定研究纳米级磁陀螺，即由三个连接顶点组成的3D网络，这些顶点由弯曲的纳米线状支杆的三重轴定义（图1）。

　　图2：通过自组装制备镍-铁陀螺纳米结构的过程示意图。（图片来源：贾斯汀·兰德罗、大卫·洛夫和安德烈斯·科瓦茨）

　　陀螺仪已经吸引了很多人的兴趣，因为尽管它们很复杂，但它们可以从精心配制的聚合物组合中进行自组装，聚合物可以用作3D模具或模板，以形成独立的纳米结构（图2）。由于支柱连接形成螺旋，陀螺具有“惯性”或手性，它们的形状使磁陀螺成为理想的系统，用于测试从曲率产生的新磁性能的预测。

　　陀螺仪的光学特性的测量甚至表明，陀螺仪可以具有拓扑特性，连同手性效应，目前正被广泛研究以开发新型自旋电子器件。然而，尚未确定可能存在于回旋中的磁态，从而导致了本研究。

　　研究人员通过嵌段共聚合物模板化和电沉积制备了Ni 75 Fe 25单陀螺和双陀螺（由单陀螺的镜像对形成）纳米结构，其支柱直径为11nm，单元尺寸为42nm。这些尺寸与Ni-Fe的畴壁宽度和自旋波波长相当。

　　然后，他们使用离轴电子全息照相技术对螺旋状纳米颗粒进行成像，从而可以纳米级的空间分辨率绘制出螺旋状支撑体内部和周围的磁化强度和杂散磁场模式。借助有限元微磁模拟对模式进行分析，发现了非常复杂的磁态，总体上是铁磁的，但没有独特的平衡构型，这意味着磁陀螺可以采用大量的稳定态。

　　主要作者贾斯汀·兰德罗说：“这些发现使磁陀螺成为诸如储层计算和自旋波逻辑等应用感兴趣的候选物，该研究朝着可用于发现新的3D纳米级磁性超材料迈出了令人兴奋的第一步，影响并促进自旋电子学的基础和应用研究。”

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