Estudio de Skyrmion: aplicaciones AFM del centro Quantum Diamond NV

¿Te imaginas un disco duro de portátil del tamaño de un grano de arroz? Skyrmion, una misteriosa estructura de cuasipartículas en el campo magnético, podría hacer realidad esta idea aparentemente impensable, con más espacio de almacenamiento y velocidades de transferencia de datos más rápidas para este "grano de arroz". Entonces, ¿cómo observar esta extraña estructura de partículas? El CIQTEK Quantum Diamond Atomic Force Microscope (QDAFM), basado en el centro de vacantes de nitrógeno (NV) en imágenes de escaneo de diamantes y AFM, puede brindarle la respuesta.

 

 

¿Qué es Skyrmion?

 

Con el rápido desarrollo de los circuitos integrados a gran escala, el proceso del chip a escala nanométrica, el efecto cuántico se acentuó gradualmente y la "Ley de Moore" encontró límites físicos. Al mismo tiempo, con una densidad tan alta de componentes electrónicos integrados en el chip, el problema de la disipación térmica se ha convertido en un gran desafío. La gente necesita urgentemente una nueva tecnología para superar el cuello de botella y promover el desarrollo sostenible de los circuitos integrados.

 

Los dispositivos espintrónicos pueden lograr una mayor eficiencia en el almacenamiento, la transferencia y el procesamiento de información explotando las propiedades de espín de los electrones, lo cual es una forma importante de superar el dilema anterior. En los últimos años, se espera que las propiedades topológicas de las estructuras magnéticas y sus aplicaciones relacionadas sean los portadores de información de los dispositivos espintrónicos de próxima generación, que es uno de los puntos de investigación actuales en este campo.

 

El skyrmion (en lo sucesivo denominado skyrmion magnético) es una estructura de espín topológicamente protegida con propiedades de cuasipartículas y, como un tipo especial de pared de dominio magnético, su estructura es una distribución de magnetización con vórtices. Similar a la pared del dominio magnético, también hay un cambio de momento magnético en el skyrmion, pero a diferencia de la pared del dominio, el skyrmion es una estructura de vórtice, y su cambio de momento magnético es desde el centro hacia afuera, y los más comunes son de tipo Bloch. skyrmions y skyrmions tipo Neel.

 

Figura 1:  Diagrama esquemático de la estructura de skyrmion. (a) Skyrmions tipo Neel (b) Skyrmions tipo Bloch

 

El skyrmion es un portador de información natural con propiedades superiores como fácil manipulación, fácil estabilidad, tamaño pequeño y velocidad de conducción rápida. Por lo tanto, se espera que los dispositivos electrónicos basados ​​en skyrmions cumplan con los requisitos de rendimiento para dispositivos futuros en términos de no volatilidad, alta capacidad, alta velocidad y bajo consumo de energía.

 

¿Cuáles son las aplicaciones de Skyrmions?

 

Memoria del hipódromo de Skyrmion

La memoria Racetrack utiliza nanocables magnéticos como pistas y paredes de dominio magnético como portadores, con corriente eléctrica impulsando el movimiento de las paredes de dominio magnético. En 2013, los investigadores propusieron la memoria Skyrmion Racetrack, que es una alternativa más prometedora. En comparación con la densidad de corriente de accionamiento de una pared de dominio magnético, el skyrmion es entre 5 y 6 órdenes de magnitud más pequeño, lo que puede conducir a un menor consumo de energía y generación de calor. Al comprimir los skyrmions, la distancia entre los skyrmions adyacentes y el diámetro del skyrmion puede ser del mismo orden de magnitud, lo que puede conducir a una mayor densidad de almacenamiento.

 

Figura 2: Memoria de carreras basada en Skyrmion

 

Transistor Skyrmion

Skyrmions también se puede utilizar en el ámbito de los transistores, lo que abre nuevas ideas para el desarrollo de semiconductores. Como se muestra en la Figura 3, se genera un skyrmion en un extremo del dispositivo utilizando una MTJ (unión de túnel magnético), seguido de una corriente de polarización de espín para impulsar el skyrmion hacia el otro extremo. Para lograr el estado de conmutación del transistor, se instala una puerta en el centro del dispositivo. Al aplicar un voltaje a la puerta, se genera un campo eléctrico que puede cambiar la anisotropía magnética perpendicular del material y así controlar el encendido/apagado del skyrmion. Cuando no se aplica voltaje, el skyrmion puede pasar a través de la puerta hasta el otro extremo del dispositivo, y este estado se define como estado encendido; cuando se aplica un campo eléctrico externo, el skyrmion no atraviesa la puerta y este estado se define como estado apagado.

 

Figura 3: Transistor Skyrmion

 

Computación no convencional basada en Skyrmion

En comparación con las unidades informáticas convencionales, las unidades informáticas neuromórficas tienen las ventajas de un bajo consumo de energía y una informática a gran escala en términos de redes neuronales. Para fabricar unidades de computación neuromórficas es necesario cumplir con los requisitos de tamaño nanométrico, no volatilidad y bajo consumo de energía. Skyrmion ofrece nuevas posibilidades para este tipo de dispositivos. Skyrmion tiene movilidad controlada, lo que puede simular bien los nervios biológicos y, al mismo tiempo, skyrmion puede deshacerse del efecto de vinculación de impurezas de manera más eficiente, lo que los hace más robustos.

 

Figura 4:  (a) Dispositivo de computación neuronal basado en Skyrmion (b) Dispositivo de computación estocástica basado en Skyrmion

 

Skyrmions también se puede utilizar en dispositivos informáticos aleatorios. Mientras que las técnicas informáticas convencionales codifican valores en formato binario convencional, la informática aleatoria puede procesar continuamente un flujo aleatorio de bits. Los circuitos semiconductores convencionales utilizan una combinación de generadores de números pseudoaleatorios y registros de desplazamiento para generar señales, lo que tiene la desventaja de un alto costo de hardware y una baja eficiencia energética. Los investigadores han descubierto recientemente una generación de skyrmions inducida térmicamente, tanto teórica como experimentalmente, que proporciona la base para dispositivos informáticos aleatorios basados ​​en skyrmion.

 

Microscopio de fuerza atómica de diamante cuántico CIQTEK en la aplicación de la investigación Skyrmion

 

El estudio de los skyrmions no puede llevarse a cabo sin técnicas de observación adecuadas, y las siguientes técnicas se utilizan habitualmente para observar skyrmions en el espacio real:

Microscopía electrónica de transmisión de Lorentz (LTEM), cuyo principio es utilizar un haz de electrones para penetrar la muestra y registrar la fuerza de Lorentz sobre los electrones; microscopía de fuerza magnética (MFM), que utiliza una punta magnética para registrar las fuerzas del campo magnético en la superficie de la muestra mediante técnicas de microscopía de fuerza atómica; Microscopía de rayos X, cuyo principio es que la tasa de absorción de los rayos X puede reflejar el campo magnético de la muestra; y microscopía Kerr magnetoóptica (Moke), que utiliza el efecto Kerr magnetoóptico para medir la distribución de magnetización. Cada una de estas herramientas de observación tiene sus limitaciones, como los exigentes requisitos de tamaño de muestra de LTEM, la mala resolución espacial de Moke y las propiedades magnéticas de la punta del MFM que pueden afectar la obtención de imágenes de skyrmions.

 

En los últimos años, la existencia de una estructura especial defectuosa en los diamantes, el centro Nitrogen-Vacancy (NV), ha atraído la atención de los investigadores. La intensidad del componente del campo magnético en el eje NV se puede obtener manipulando y leyendo el estado cuántico del espín del electrón del centro NV mediante microondas y láser.

 

La microscopía de sonda de barrido del centro NV (SPM) es la integración del centro NV en diamante en la punta de la sonda AFM, combinada con la técnica de barrido AFM para obtener resultados de dominio magnético en la superficie de la muestra, con las ventajas de una sensibilidad muy alta (1 uT/ Hz1/2), resolución espacial (10 nm) y no invasividad. El NV SPM se utiliza para estudiar una variedad de estructuras magnéticas de interés, como el escaneo de campos heterodinos de vórtices magnéticos, lo que permite determinar la polaridad y la quiralidad de los núcleos de vórtices magnéticos; medir la conformación de las paredes del dominio magnético y observar la dinámica de las paredes del dominio bajo modulación.

 

Los investigadores pretenden estudiar nuevos materiales y preparar skyrmion que sea estable a temperatura ambiente con campos cero, de tamaño pequeño y fácil de manipular. El centro Diamond NV SPM es muy adecuado para obtener imágenes magnéticas cuantitativas de alta resolución de skyrmions a temperatura ambiente. 

 

Actualmente, NV SPM ha tenido bastante éxito en el estudio de la estructura de magnetización de  skyrmions  y los procesos físicos relacionados. Por ejemplo:

1) Reconstrucción de la estructura de magnetización basada en la distribución del campo parásito del skyrmion.

Figura 5: Microscopía de sonda de barrido NV para resolver la estructura de magnetización del skyrmion 

(Barra de escala: 500 nm)

2) Estudio de la morfología estructural de los skyrmions. Por ejemplo, el grupo de Jacques estudió la morfología del skyrmion en multicapas ferromagnéticas de Pt/FM/Au/FM/Pt.

 

Figura 6:  Microscopio de sonda de barrido NV para estudiar la morfología del skyrmion

 

3) Observación de la evolución cinética intrínseca del skyrmion. Por ejemplo, el grupo Ania estudió el desarrollo del skyrmion en el sistema Ta/CoFeB/MgO bajo la variación del campo magnético externo.

 

Figura 7:  Microscopio de sonda de barrido NV para estudiar el skyrmion bajo un campo magnético externo

 

 

4) Estudio del proceso cinético de skyrmions impulsados ​​por corriente.

 

Figura 8:  Microscopio de sonda de barrido NV utilizado para estudiar la dinámica de skyrmions impulsados ​​por corriente

 

Microscopio de sonda de barrido CIQTEK NV: microscopio de fuerza atómica de diamante cuántico (QDAFM), tiene las ventajas únicas de ser no invasivo, puede cubrir un amplio rango de temperatura y un gran rango de medición de campo magnético. Se puede aplicar a imágenes magnéticas de materiales bidimensionales, imágenes de nanocorrientes, imágenes magnéticas de vórtices superconductores e imágenes magnéticas celulares, y tiene una amplia gama de aplicaciones en ciencia cuántica, química y ciencia de materiales, así como en biología y medicina. campos de investigación.

 

Microscopio de fuerza atómica de diamante cuántico CIQTEK

( La versión ambiental y la versión criogénica)