Nghiên cứu về sự từ hóa trong băng spin nhân tạo ở các trường từ thay đổi

Giới thiệu

Tính toán neuromorphic đề cập đến phần cứng máy tính khác biệt so với các phần tử logic hai trạng thái truyền thống (tức là trạng thái 0 và 1), và cố gắng bắt chước hành vi của não bộ để thực hiện các nhiệm vụ, sử dụng tín hiệu tương tự thay vì các tín hiệu nhị phân thông thường. Ưu điểm rõ ràng nhất của cách tiếp cận này là khi thực hiện một số nhiệm vụ nhất định, thay vì phải xấp xỉ hành vi của một hệ thống bằng số học và sử dụng nhiều tài nguyên, chẳng hạn như để tạo ra một số ngẫu nhiên, có thể yêu cầu trực tiếp phần cứng neuromorphic, vì nó liên quan đến một quá trình ngẫu nhiên thực sự ở cốt lõi, do đó tiết kiệm thời gian và năng lượng.

Trong số nhiều nỗ lực để tạo ra các thiết bị neuromorphic, một trong những nỗ lực đã nhận được nhiều sự chú ý gần đây là thiết bị dựa trên các cấu trúc băng spin nhân tạo.

Băng spin là một thuật ngữ chỉ một phạm vi rất rộng các vật liệu, nơi mà, do sự từ hóa, có nhiều trạng thái cơ bản khác nhau. Sự hạn chế về hình học của sự từ hóa (ví dụ: các nguyên tử có spin thuần được sắp xếp trong mạng tinh thể) buộc hệ thống phải chịu sự thất bại, tạo ra các mômen từ không được bù đắp. Một trường hợp đặc biệt thú vị, được gọi là băng spin nhân tạo, được tạo ra bằng cách sử dụng vật liệu từ được tạo mẫu lên các cấu trúc nano. Thông thường, sự từ hóa trong các cấu trúc nano là đồng nhất, và sự phân bố không gian của các cấu trúc nano kiểm soát sự thất bại này.

Băng spin nhân tạo đặc biệt thu hút sự quan tâm trong lĩnh vực tính toán, khi mà, như đã được chứng minh, nó có thể được sử dụng để kết hợp bộ nhớ và tính toán.

Để nghiên cứu băng spin nhân tạo, chúng tôi đã sử dụng giá đỡ mẫu trường từ thay đổi (VMFSH) của Nanosurf, một phụ kiện cho các thiết bị CoreAFM, FlexAFM và DriveAFM của Nanosurf, cho phép đo AFM trong một trường từ thay đổi trong hoặc ngoài mặt phẳng. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc chụp ảnh các mẫu từ tính bằng kính hiển vi lực từ (MFM). Để có cái nhìn tổng quan về MFM, vui lòng truy cập trang web lý thuyết AFM của chúng tôi hoặc đọc thêm trong Tài liệu tham khảo 4.

Vật liệu và phương pháp

Trong ghi chú ứng dụng này, chúng tôi đã nghiên cứu một mẫu được làm từ Permalloy mẫu (Ni80Fe20). Permalloy được coi là vật liệu từ mềm, và tỷ lệ khía cạnh của các cấu trúc được sử dụng ở đây giới hạn sự từ hóa vào các miền trong mặt phẳng. Mẫu được sử dụng ở đây được gọi là mẫu Penrose (còn được gọi là lát gạch Penrose), được biết đến là không có tính đối xứng tịnh tiến.

Quy trình thí nghiệm

Để tạo ra trường từ, chúng tôi đã sử dụng giá đỡ mẫu trường từ thay đổi (VMF), một phụ kiện cho các thiết bị CoreAFM, FlexAFM và DriveAFM, cho phép đo AFM trong một trường từ thay đổi trong hoặc ngoài mặt phẳng. Động cơ hóa và cảm biến bên trong cho phép dễ dàng xử lý và tự động hóa các phép đo, như được mô tả dưới đây.

Trong MFM, cả đầu dò từ tính và mẫu đều có thể bị thay đổi bởi nhau trong quá trình quét do tương tác giữa đầu dò và mẫu. Để tránh các hiện tượng nhiễu hình ảnh, cần phải chọn đúng đầu dò. Đối với các cấu trúc nano Permalloy mềm, chúng tôi đã chọn một đầu dò với mômen tiêu chuẩn và độ cưỡng bức cao (mômen thường được mô tả là thấp, tiêu chuẩn hoặc cao). Với sự kết hợp giữa đầu dò và các trường từ áp dụng, mômen tiêu chuẩn sẽ cung cấp độ tương phản tốt mà không ảnh hưởng đến sự từ hóa của mẫu, và độ cưỡng bức cao có nghĩa là trường từ bên ngoài sẽ không ảnh hưởng đến sự từ hóa của đầu dò. Bảng với các giá trị mômen đo được của hầu hết các đầu dò có sẵn trên thị trường có thể được tìm thấy trong Tài liệu tham khảo 5.

Để nghiên cứu băng spin nhân tạo, chúng tôi đã chọn một khu vực gần biên của mạng lưới (hiển thị trong Hình 1). Chúng tôi đã sử dụng chế độ quét kép MFM với chế độ theo đường viền vì nó bảo vệ cả cấu trúc nano và đầu dò. Trong trường hợp cụ thể này, không cần thiết phải sử dụng bù tĩnh điện (tức là chạy kính hiển vi lực Kelvin song song), tuy nhiên, tùy thuộc vào độ ẩm môi trường và loại mẫu đang nghiên cứu, việc sử dụng bù tĩnh điện để tránh hiện tượng nhiễu trong tín hiệu pha trong lần quét thứ hai có thể là điều nên làm.

Như có thể thấy trong Hình 1a, băng spin nhân tạo được nghiên cứu ở đây bao gồm các hòn đảo của vật liệu từ tính (cao khoảng 35 nm), một số hình tam giác, một số hình thang đáy sao; và một số hình ngũ giác đáy sao. Trạng thái cơ bản của các hình tam giác và hình thang đáy sao bao gồm hai miền tách biệt bởi một tường miền (như được thể hiện ở trạng thái trường từ bằng không trong Hình 1b). Trong trường hợp của các hình ngũ giác đáy sao, trạng thái cơ bản giống như một ngôi sao. Phần thú vị là, do tương tác giữa các cấu trúc kề nhau, các trạng thái cơ bản được quan sát trong băng spin nhân tạo khác với khi các cấu trúc cá thể được cách riêng ra. Điều này được gọi là sự thất bại, và nó có thể dẫn đến các hiện tượng thú vị như các cực từ tính có thể di chuyển đến các vị trí khác nhau trong lưới.

Trong khi Hình 1 được chụp ở trường từ từ trường không áp dụng, bằng cách sử dụng giá đỡ mẫu trường từ thay đổi (VMF), có thể thu thập sự tiến triển của từ hóa dưới dạng một hàm số của trường từ được áp dụng. Dữ liệu như vậy, với một trường từ được căn chỉnh theo chiều ngang biến thiên từ 31 mT (trái sang phải) đến -31 mT (phải sang trái), được trình bày trong các Hình 2a-l để thảo luận thêm và cũng có thể được xem trong video đi kèm với ghi chú ứng dụng này.

Quan sát Hình 2 và theo dõi sự tiến triển của trường từ từ 30.73 đến -30.39 mT, có thể thấy rằng không có nhiều sự thay đổi từ Hình 2a ở 30.73 mT đến Hình 2b ở 15.08 mT, cho thấy rằng có khả năng hệ thống gần đạt trạng thái bão hòa và sẽ cần một trường từ lớn để loại bỏ các tường miền cuối cùng còn tồn tại trong hệ thống. Điều này được sử dụng như một trường bắt đầu vì có khả năng đã xóa bỏ bất kỳ lịch sử từ tính trước đó nào. Theo sự tiến triển, từ 15.08 mT đến 7.77 mT (Hình 2c) bây giờ, có thể quan sát được các thay đổi trong từ hóa (ví dụ, vòng tròn đứt đoạn màu đỏ). Các thay đổi này là điều dự kiến. Các điểm sáng và tối trong hình ảnh MFM cho thấy sự hiện diện của một trường từ từ xa ra khỏi cấu trúc nano từ tính. Khi trường từ từ bên ngoài giảm, điều kiện năng lượng khía cạnh hình dạng tăng lên (tức là miền từ tính có xu hướng bắt chước hình dạng của cấu trúc nano), và từ hóa điều chỉnh với các hạn chế hình học, với các cạnh sắc nét là điểm gài chắc tự nhiên nơi mà trường từ xa được tạo ra hoặc các tường miền bị gài chặt.

Một ví dụ về việc gài chặt tường miền có thể được thấy trong Hình 2e và f (tương ứng là 1.26 và -1.71 mT), nơi từ hóa bên trong ngôi sao chuyển từ một miền đơn (được đánh dấu bởi mũi tên màu tím trong e), sang nhiều miền (cũng được đánh dấu bằng mũi tên màu tím trong f) được căn chỉnh với các "cánh" của ngôi sao. Thú vị để chú ý ở đây là một ngôi sao tương tự (với cùng một sự căn chỉnh đối với trường), yêu cầu một trường từ chuyển đổi từ hóa khác biệt nhiều (Hình 2h, ở -3.88 mT, được đánh dấu bằng một vòng tròn đứt đoạn màu ngọc lam). Điều này có thể là một hiệu ứng của các yếu tố từ tính gần kề ảnh hưởng đến cảnh quan năng lượng cục bộ. Hiệu ứng này của cảnh quan cục bộ lên các trường chuyển đổi cũng có thể được nhìn thấy trong trường hợp của các hình thang đáy sao được làm nổi bật bằng màu trắng từ Hình 2c đến i (lần lượt là 7.77, 3.66, 1.26, -1.71, -2.4, -3.88 và -7.55 mT). Mặc dù có cùng hướng so với trường từ ngoại vi, vị trí của chúng đối với lưới lưới khá khác nhau (một cái ở biên chẳng hạn)

Thú vị thấy rằng một số yếu tố, ví dụ như hình thang đáy ở biên được làm nổi bật bằng các vòng tròn đứt đoạn màu vàng trong Hình 2i và j, chuyển đổi từ hóa ở trường từ tương đối cao (so sánh -7.54 mT trong Hình 2i và -8.8 mT trong Hình 2j), có thể cho thấy rằng hoặc phần còn lại của lưới ưa chuộng việc chuyển đổi này ở trường từ cao, hoặc lưới ưa chuộng các yếu tố còn lại chuyển đổi ở trường từ thấp không bình thường. Trong cả hai trường hợp, những yếu tố này quan trọng để đánh giá sự phù hợp của các mô hình số học của hệ thống. Ngoài tương tác của lưới và trường từ, quan trọng là nhận thấy rằng một số các chuyển đổi được nhìn thấy trong Hình 2 là do tương tác giữa đầu dò và mẫu (mỗi khi một sự không liên tục ngang qua hình ảnh). Các sự không thể tránh được này, nhưng chúng có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng các đầu dò khác nhau để nghiên cứu các chế độ khác nhau, ví dụ, các đầu dò với mômen thấp khi có trường từ từ tính nhỏ được áp dụng, và các đầu dò với độ cưỡng bức cao khi có trường từ từ tính lớn được áp dụng.

Tóm lại, bằng cách sử dụng giá đỡ mẫu trường từ thay đổi (VMF), ta có thể nghiên cứu các hệ thống từ hóa bất mãn như băng spin nhân tạo được thể hiện ở đây. Bằng cách biết trường từ cần thiết để chuyển đổi các yếu tố cụ thể trong lưới băng spin nhân tạo, ta có thể mô phỏng hành vi của nó và rút ra các trạng thái cơ bản. Điều này có thể được sử dụng để điều chỉnh thiết kế lưới để phù hợp với hành vi mong muốn và từ đó làm cho nó có thể được sử dụng cho các ứng dụng thực tế.

References
[1] Marković, D., et al., Nat Rev Phys 2,499–510.
[2] Grollier, J. et al., Nature Electronics,3(7), 360–370. -0360-9
[3] Caravelli, F. et al., New J. Phys. 22,103052.
[4] Kazakova, O. et al., J. Appl. Phys. 2019,125, 060901.
[5] Corte-León, H. et al., Small 2020,1906144, 1.