Reorientacja kierunku namagnesowania w ferromagnetykach realizowana przez adsorpcję molekuł chiralnych bez przyłożenia prądu elektrycznego i pola magnetycznego

Reorientacja kierunku namagnesowania w ferromagnetykach realizowana
przez adsorpcję molekuł chiralnych bez przyłożenia prądu elektrycznego
i pola magnetycznego

W ferromagnetykach zmiana kierunku namagnesowania może być indukowana m. in. przez przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego albo przez prąd spolaryzowany spinowo. W przypadku zastosowania prądu spinowego zmiana ta zachodzi dzięki zjawisku transferu spinowego momentu skręcającego (spin-transfer torque STT effect). Polega ono na tym, że pole magnetyczne związane ze spinowym momentem pędu nośników oddziałuje z momentami magnetycznymi jonów znajdujących się w cienkiej warstwie ferromagnetyka. Ten mechanizm jest stosowany w nowoczesnych pamięciach komputerowych typu MRAM, jednak gęstość prądu wymagana do zainicjowania STT wynosi ok. 1 x 10⁶ A cm² lub inaczej ok. 1 x 10²⁵ elektronów s^-1 cm^-2. Taki stosunkowo wysoki prąd znacząco wpływa na strukturę i osiągane parametry pracy urządzeń.

W pracy opublikowanej w Nature Communications [1] pokazano, że takie sterowanie kierunkiem namagnesowania w cienkiej warstwie ferromagnetyka może być inicjowane przez zupełnie inny, nowy mechanizm fizyko-chemiczny: adsorpcję molekuł chiralnych (magnetism induced by a proximity of adsorbed chiral molecules - MIPAC) na powierzchni warstwy magnetycznej. Pokazano, że już ok. 10¹³ elektronów s^-1 cm^-2 wystarcza do reorientacji kierunku namagnesowania. Lokalna zmiana kierunku magnetyzacji jest realizowana poprzez adsorpcje molekuł chiralnych w postaci samo-organizujących się monowarstw (self-assembled monolayer - SAM) na powierzchni warstwy Au, która przykrywa warstwę ferromagnetyka, wykazującego anizotropię prostopadłą do powierzchni warstwy. Kierunek magnetyzacji takiej nanostruktury zależy od skrętności zaadsorbowanych molekuł (lewo- lub prawo-skrętne). Dzięki spinowo selektywnemu transferowi elektronów poprzez warstwę SAM do znajdującego się poniżej ferromagnetyka, staje się on także spolaryzowany spinowo, co wyznacza kierunek namagnesowania. Wykorzystane tu zostały dwa niezależne zjawiska: transfer elektronowy przez adsorpcje molekuł SAM oraz selektywność spinowa indukowana kierunkiem skręcenia molekuł CISS (chiral-induced spin selectivity - CISS), (gdzie spiny są spolaryzowane równolegle lub anty-równolegle do wektora prędkości elektronów w zależności od kierunku skręcenia zaadsorbowanych molekuł) w celu wykazania możliwości sterowania kierunkiem namagnesowania poprzez adsorpcję odpowiednich molekuł chiralnych. Wyniki eksperymentów transportu spinowego w cienkich warstwach ferromagnetycznych indukowanego optycznie [2] oraz elektrycznie [3] zostały opublikowane wcześniej.

Eksperymenty zostały przeprowadzone na cienkich warstwach epitaksjalnych typu sandwich (wyhodowanych metodą MBE w Instytucie Fizyki PAN w Warszawie) o strukturze: Al₂O₃/Pt/Au/Co (grubość 1.5 - 2.2 nm)/Au (grubość 5 nm), których kierunek łatwego namagnesowania jest prostopadły do powierzchni próbki. Zmienna grubość warstwy kobaltu w zakresie od 1.5 do 2.2 nm skutkowała różnymi wartościami pola koercji oraz rozmiarami struktury domenowej. Molekuły SAM były złożone z dwóch enantiomerów oligopeptydu polialaniny o różnej skrętności ( helix polyalanine L and D). Te oligopeptydy były następnie adsorbowane, w zdefiniowanych poprzez nanolitografię elektronową obszarach, na powierzchni warstwy złota.

W podsumowaniu, zaprezentowany w pracy efekt MIPAC otwiera nowe możliwości prostego i lokalnego, w skali nanometrowej, sterowania kierunkiem namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych. Jest to efekt powierzchniowy, w którym reorientacja kierunku prostopadłej osi łatwej magnetyzacji jest indukowana poprzez adsorpcję molekuł chiralnych. Istotnym jest również fakt, iż proces reorientacji namagnesowania jest realizowany bez konieczności przyłożenia zewnętrznego pola magnetycznego lub prądu elektrycznego. Kierunek namagnesowania warstwy ferromagnetyka zależy jedynie od kierunku skręcenia zaadsorbowanych w danym nano-obszarze molekuł.

[1] "Magnetization switching in ferromagnets by adsorbed chiral molecules without current or external magnetic field",
      O. Ben Dor, S. Yochelis, A. Radko, K. Vankayala, E. Capua, A. Capua, S.-H. Yang, L. T. Baczewski, S. S. P. Parkin, R. Naaman, and Y. Paltiel,
      Nature Commun. 8, 14567 (2017).

[2] "Local light-induced magnetization using nanodots and chiral molecules",
      O. Ben Dor, N. Morali, S. Yochelis, L. T. Baczewski, and Y. Paltiel, Y,
      Nano Lett. 14, 6042 - 6049 (2014).

[3] "A chiral-based magnetic memory device without a permanent magnet",
      O. Ben Dor, S. Yochelis, S. P. Mathew, R. Naaman, and Y. Paltiel,
      Nature Commun. 4, 2256 (2013).

Topografia powierzchni oraz obrazy struktury magnetycznej w warstwie ferromagnetyka, w której kierunek namagnesowania jest indukowany przez zaadsorbowane molekuły chiralne. Obrazy otrzymane zostały, odpowiednio, metodą mikroskopii sił atomowych (AFM) i mikroskopii sił magnetycznych (MFM). a) obraz AFM topografii powierzchni z molekułami chiralnymi AHPA-L oraz b) molekułami AHPA-D zaadsorbowanymi na cienkiej warstwie kobaltu pokrytego warstwą złota o grubości 5 nm oraz odpowiadające im obrazy struktury magnetycznej, gdzie zmiana kontrastu z jasnego na ciemny wskazuje na zmianę kierunku namagnesowania w obszarach pokrytych molekułami odpowiednio, AHPA-L (c) i AHPA-D (d) o różnej skrętności.

Topografia powierzchni i struktura magnetyczna w obszarach zbliżonych do rozmiarów pojedynczych domen.

Obraz MFM struktury magnetycznej warstwy ferromagnetyka, gdzie kierunek namagnesowania jest określony przez zaadsorbowane molekuły chiralne AHPA-L na powierzchni obszarów ferromagnetyka o rozmiarach 250 x 250 nm² , nanostrukturyzowanych przy użyciu litografii elektronowej. Wstawka pokazuje rozmiary magnetycznej struktury domenowej przed zaadsorbowaniem molekuł chiralnych (po lewej) oraz przekrój poprzeczny wzdłuż linii przerywanej.
Obraz AFM topografii powierzchni warstwy po selektywnym zaadsorbowaniu molekuł chiralnych na obszarach o rozmiarach 1x1 m², 500x500 nm², 250x250 nm², 100x100 nm² and 50x50 nm². Przekrój poprzeczny nanostruktury o rozmiarach 50x50 nm² jest pokazany we wstawce.