BEETHOVEN 2

Polsko-niemiecki projekt badawczy Beethoven 2 (2016/23/G/ST3/04196) Dynamika ściany domenowej i właściwości magnetycznej tekstury w warstwach magnetycznych z oddziaływaniem typu Dzyaloshinskii-Moriya (2018-2021) jest realizowany w ramach współpracy polskiego Konsorcjum pomiędzy Instytutem Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk w Krakowie (koordynator) i Wydziałem Fizyki Uniwersytetu w Białymstoku z Uniwersytetem w Kilonii (Niemcy). Strona polska jest finansowana przez Narodowe Centrum Nauki, strona niemiecka przez German Research Foundation (DFG). Realizacja projektu jest wspomagana przez narodowe centrum promieniowania synchrotronowego SOLARIS w Krakowie.

 

Rys. 1. Chiralna domenowa struktura magnetyczna – skyrmion; potencjalna struktura do zapisu informacji [www.nanowerk.com].
Wraz z rosnącą ilością przetwarzanych, przekazywanych i gromadzonych danych cyfrowych, rośnie zapotrzebowanie na zwiększanie pojemności nośników danych. W przypadku nośników magnetycznych, takich jak dyski twarde, oznacza to konieczność nie tylko zmniejszania elementów pamięci – rozumianych jako pojedynczy bit, ale także konieczność zmniejszenia mocy potrzebnej do przełączania/zapisu bitu informacji, a w konsekwencji uniknięcia problemów z odprowadzaniem generowanego przy tym ciepła. Dlatego też w materiałach magnetycznych stosowanych w najnowszych urządzeniach elektronicznych istotne stało się zastosowanie nie tylko ładunku elektronów, ale również i ich spinów. Uporządkowanie spinów elektronów decyduje o właściwościach magnetycznych materiałów. Szczególne fascynującym zjawiskiem w materiałach magnetycznych jest chiralność. Charakteryzuje się ona odbiciową asymetrią. Przykładowo lewa dłoń po lustrzanym odbiciu nie jest identyczna jak wyjściowa ale wygląda tak jak prawa. Chiralność odgrywa istotną rolę np. w fizyce, a w materiałach magnetycznych, może objawić się w tak subtelny sposób, jako występowanie tylko jednego typu chiralności spinów. Taki chiralny typ struktury magnetycznej wynika z istnienia oddziaływania typu Dzyaloshinskii-Moriya (DMI). Z mikroskopowego punku widzenia jest to oddziaływanie spinów w układach nie posiadających symetrii odbiciowej i charakteryzuje się silnym sprzężeniem spin-orbita. Wynikiem takiego oddziaływania jest tworzenie się faz o skręconej strukturze magnetycznej, takiej jak np. skyrmiony. Obserwowane w materiałach magnetycznych struktury chiralne typu: magnetyczne ściany domenowe, punkty Blocha, a zwłaszcza skyrmiony, mogą być wykorzystane w przyszłości do zastosowań technicznych. Ze względu na nanometrowe rozmiary takich struktur mogłyby one w szczególności znaleźć zastosowanie w nowych typach pamięci magnetycznych o bardzo dużej gęstości zapisu, gdzie skyrmion stanowiłby bit informacji (Rys. 1).

Głównym celem projektu jest uzyskanie fundamentalnej wiedzy o właściwościach statycznych i dynamicznych tych mikromagnetycznych struktur, występujących w cienkich warstwach z prostopadłą do powierzchni anizotropią magnetyczną i oddziaływaniem typu Dzyaloshinskii-Moriya. Badania z wykorzystaniem wysokorozdzielczych technik magnetooptycznych koncentrują się w szczególności na pomiarach wysokoczęstotliwościowych odpowiedzi swobodnych i częściowo zakotwiczonych w warstwie mikrostruktur po ich wzbudzeniu za pomocą m.in. pola magnetycznego, prądu elektrycznego, jak również termo-optycznego (stosując impuls lasera o odpowiedniej energii). W celu uzyskania statycznych i dynamicznych parametrów materiałów przeznaczonych do badań odpowiednich mikrostruktur, wykonywane są pomiary różnymi uzupełniającymi się technikami m.in. magnetometrycznymi, rezonansu ferromagnetycznego czy spektroskopii rozpraszania światła Brillouina. We współpracy z pierwszym polskim synchrotronem SOLARIS (jak również innymi synchrotronami), zastosowane zostaną wysokorozdzielcze techniki badawcze wykorzystujące promieniowanie synchrotronowe, np. fotoemisyjny mikroskop elektronowy (PEEM). Uzyskane wyniki eksperymentalne stanowić będą podstawę do mikromagnetycznego modelowania rozkładów namagnesowania. Połączenie obliczeń i wyników obrazowania mikrostruktur w czasie rzeczywistym pozwoli poznać fizyczne mechanizmy badanych obiektów, co przyczynić się może do opracowania podstaw nowego typu pamięci magnetycznych. W szczególności mikrostruktury typu bubble/skyrmion w materiałach magnetycznych mogą prowadzić do powstania nowej klasy urządzeń „spintronicznych”, o niskim zużyciu energii i dużej gęstości zapisu.

W ostatnim czasie mikrostruktury magnetyczne typu bubble/skyrmion stały się nowym interesującym obiektem badań eksperymentalnych i teoretycznych. Badania te koncentrują się na zrozumieniu fundamentalnych właściwości magnetycznych tych mikrostruktur w różnych systemach magnetycznych oraz na rozwoju metod ich preparacji, detekcji i sterowania. W związku z tym można oczekiwać, że proponowane w projekcie badania wpisują się w aktualne trendy związane z rozwojem mikrostruktur magnetycznych.

Koordynatorzy projektu

dr Piotr Mazalski – piotrmaz@uwb.edu.pl (koordynator zadań ze strony Instytutu Katalizy i Fizykochemii Powierzchni im. Jerzego Habera Polskiej Akademii Nauk w Krakowie)

dr hab Ryszard Gieniusz, prof. UwB – gieniusz@uwb.edu.pl (koordynator zadań realizowanych w UwB)

Prof. Dr.-Ing. Jeffrey McCord – jmc@tf.uni-kiel.de (koordynator zadań realizowanych w Kilonii)

Strona koordynatora z Niemiec: https://www.tf.uni-kiel.de/matwis/nmm/en/nmm-group