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據報道， 近日，一組來自能源部勞倫斯•伯克利國家實驗室的科學家們證實了“手性”這種特殊性質，在具有無序結構的納米級厚的多層材料樣品中，這種特殊性質可能以新的方式傳輸和存儲數據。
雖然大多數電子設備都依賴于電子電荷的流動，但科學界正狂熱地通過設計材料和方法來控制其他固有的電子特性，從而尋找新的方法，例如控制它們圍繞原子的軌道和自旋，從而使電子發生革命性的變化，這些特性可以被認為是一個被調整為面向不同方向的指南針。
科學家們希望，這些特性可以通過促進自旋電子學來實現更快、更小和更可靠的數據存儲，自旋電子學的一個方面是利用自旋電流來操縱域和域壁。自旋電子驅動的裝置在消耗更少的功率情況下可以產生比傳統裝置更少的熱量。
在《先進材料》期刊上詳述的最新研究中，伯克利實驗室分子鑄造和高級光源( ALS )工作的科學家們證實，在自旋相反的相鄰磁疇之間的過渡區域(稱為疇壁)中存在手性或手性。
科學家們希望控制手性來控制磁疇，類似于右利手或左利手，并像傳統的計算機存儲器一樣傳遞0和1。
樣品是由釓和鈷的非晶合金組成，然后將它們夾在鉑和銥的超薄層之間，已知它們強烈影響相鄰自旋。
現代計算機電路通常使用基于晶體形式的硅晶片，其具有規則有序的結構。在這項最新的研究中，實驗中使用的材料樣品是無定形或非晶態的，這意味著它們的原子結構是無序的。
實驗結果顯示，這些疇壁的磁特性中的主導手性可能被翻轉到相反的方向。這種翻轉機制是自旋電子學和基于電子自旋特性的各種研究領域的關鍵技術。
然后，科研小組致力于確定元素的正確厚度、濃度和分層以及其他因素，從而優化這種手性效應的相關研究。
這項研究的主要作者、伯克利實驗室材料科學部博士后Robert Streubel說:“現在我們可以證明在非晶薄膜中擁有手性磁性，這是以前沒有人展示過的。”他還稱，實驗的成功打開了用溫度控制疇壁某些性質的可能性，例如手性，以及用光轉換材料手性性質的可能性。
Streubel指出：“非晶材料盡管結構混亂，但也可以制造出來，從而可以克服自旋電子學應用中晶體材料的一些局限性。我們想研究那些在工業應用中更容易制造得復雜材料。”
研究小組在伯克利實驗室的分子鑄造廠獲得了一種獨特的高分辨率電子顯微鏡技術，并以所謂的洛倫茲觀察模式進行實驗，從而成像分析樣品材料的磁性。他們將這些結果與ALS的X射線技術(稱為磁圓二色性光譜)的結果相結合，以確認樣品中納米級的磁手性。
分子鑄造公司國家電子顯微鏡中心采用洛倫茲顯微鏡技術為解析自旋織構的磁疇特性提供了所需的幾十納米分辨率。
該研究的共同負責人、實驗室材料科學部高級職員科學家Peter Fischer說:“這種儀器的高空間分辨率讓我們可以看到疇壁的手性，而且我們可以實現對整疊材料的觀察研究。”
Peter Fischer指出，像使用電子束和X射線這種越來越精確、高分辨率的實驗技術為科學家探索缺乏明確結構的復雜材料提供了保證。
Peter Fischer 表示：“我們現在正在尋找新的探測器，從而深入到越來越小的層次上。新的性質和發現經常發生在材料的界面上，這就是為什么我們要問：當你把材料一層接一層地放在另一層上時會發生什么？那么這對自旋紋理有何影響呢？自旋紋理是一種材料自旋取向的磁性景觀？”
Peter Fischer稱，即將問世的下一代電子和X射線探針，將使科學家們能夠直接在原子分辨率級別觀察到在飛秒(即數十億分之一秒)時間尺度下材料界面發生的磁轉換。
Peter Fischer說；“因此，我們的下一步工作是研究非晶系統中這些疇壁的手性動力學：即在這些疇壁移動時成像，并觀察原子是如何組裝在一起的。”
Streubel補充道：“這是一項非常深入的研究，幾乎涉及所有需要的方面。每一件事都具有挑戰性。”洛倫茲顯微術的結果被輸入到由Streubel定制的數學算法中，以識別疇壁類型和手性。另一個挑戰是使用稱為濺射的常規技術優化樣品生長從而實現手性效應。
他還表示：“該算法和實驗技術現在可以在未來的應用到一整套樣本材料中，應該還可以推廣到不同用途的不同材料中。”
研究小組還希望，他們的研究工作有助于推動與自旋軌道電子相關的研發，在這些研究中，被稱為skyrmions的“拓撲保護”(穩定和彈性)自旋紋理有可能取代材料中微小疇壁的傳播，并實現比傳統設備更小、更快的計算設備和更低的功耗。
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