來自多國的研究小組揭示了納米級陀螺體的磁性狀態，即三維手性網狀納米結構。這些發現為研究與自旋電子學相關的非傳統信息處理和緊急現象增加了一個新的候選系統。相互作用的納米結構陣列，提供了實現前所未有的材料特性能力，因為相互作用可以產生新的“新興”現象。在磁學中，到目前為止，這種突現現象只在二維、人造自旋和磁晶體中被證明。
然而，實現磁性“超材料”的進展受到兩個障礙阻礙，這種材料可以通過在三維（3-D）中顯示緊急效應來形成先進自旋電子器件的基礎。第一個問題是需要製造尺寸小於100 nm（與本徵磁長標尺相當）的複雜三維積木塊，第二個問題是可視化它們磁構型的挑戰。因此，研究小組決定研究納米尺度的磁陀螺儀，即由三個相連頂點組成的三維網絡，這些頂點由三個彎曲的納米線狀支柱組成。
圖示：單迴轉網絡的結構單元示意圖，從一對頂點開始，這對頂點共享三根支柱中的一根，並被一個“扭曲”角度偏移；中間圖像顯示了頂點對如何組成一個陀螺體單元，右側的圖像顯示了單元如何組裝成陀螺體網絡。
陀螺儀吸引了很多人的興趣，因為儘管它們很複雜，但它們可以從精心配製的聚合物組合中自組裝，這些聚合物可以用作三維模具或模板來形成獨立的納米結構。當支柱連接成螺旋線時，陀螺儀有一種“利手”或手性，其形狀使磁陀螺儀成為測試從曲率中出現新磁性預測的理想系統。對陀螺儀光學性質的測量，甚至表明陀螺儀可以具有拓撲特性，這與手徵效應一起是目前開發新型自旋電子器件的熱門課題。
圖示：自組裝製備Ni-Fe迴旋納米結構工藝示意圖。
然而，由於陀螺儀中可能存在的磁態尚未確定，因此進行了這項研究。研究人員通過嵌段共聚模板和電沉積，製備了直徑為11 nm的支柱和42 nm的單元Ni75Fe25單陀螺體和雙陀螺體（由一對鏡像的單陀螺體形成）納米結構。這些尺寸與Ni-Fe中的疇壁寬度和自旋波波長相當，然後用離軸電子全息術對陀螺儀納米顆粒進行成像，這可以以納米空間分辨率繪製陀螺儀支柱及其周圍的磁化和雜散磁場模式。
藉助有限元微磁模擬對圖案的分析，揭示了一種非常複雜的磁狀態，它是整體鐵磁的，但沒有唯一的平衡構型，這意味著磁陀螺可以採用大量的穩定狀態。這些發現使磁陀螺儀成為儲藏庫計算和自旋波邏輯等應用的候選對象，這項研究向三維納米尺度磁性超材料邁出了令人興奮的第一步，這種材料可以用來發現新的新興效應，並促進基礎和應用自旋電子學的研究。
圖示：(左)用電子全息成像的Ni-Fe迴旋體納米結構中及其周圍的雜散場圖樣，其中包含單迴旋區和雙迴旋區，納米結構的輪廓用紅色表示；(右)Ni-Fe陀螺納米顆粒磁化分佈的微磁模擬，色輪顯示磁化方向；箭頭高亮顯示一組迴轉支柱的平均方向。
博科園｜研究/來自：東北大學
研究發表期刊《納米快報》
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