Wetenschappers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hebben samen met collega’s van het Paul Scherrer Institut (PSI) in Zwitserland driedimensionale magnetische wervels ontdekt in het kader van een internationale samenwerking. Wervelingen zijn mogelijk antennes voor de ultrasnelle, draadloze dataoverdracht van de toekomst.
Magnetische wervelingen werden tot nu toe slechts in twee dimensies (in een vlak) bekeken. Ze treden specifiek op in nano grote magnetische schijven. In een samenwerkingsverband onderzochten de Duitse en Zwitserse onderzoekers driedimensionale magnetische laagsystemen. Ze stapelden telkens twee magnetische schijven op elkaar, gescheiden door een dunne, niet-magnetische metalen laag. De speciale laagopbouw zorgt, dat alle in de tussenliggende laag aanwezige magneten zich richten in eenzelfde driedimensionale werveling, wat een nieuw aanzicht biedt.
De magnetische wervels helpen de onderzoekers om elementaire principes van magnetische materialen beter te begrijpen. Ze vormen ook een basis voor veelbelovende toepassingen, zoals in de informatica en communicatie technologie. De driedimensionale magnetische wervels zouden een stabiele en krachtige antenne kunnen vormen voor ultra snelle dataoverdracht van informatie met mobiele radio- en WLAN-verbindingen.
Magnetische laagsystemen
Waarom dit zo is, volgt uit en nauwkeurige kijk op een aparte magnetische schijf, zoals deze is vervaardigd bij het HZDR met magnetische laagsystemen. In een magnetische schijf zijn alle magneetjes als aparte staafmagneetjes in een kring geformeerd. Ook als de magneten niet bewegen, spreken de wetenschappers van magnetische wervels (hier statische).
In het centrum van de magnetische schijf (de kern) zouden de magneten niet verder in een kring kunnen worden gericht; ze steken er buiten, hetzij naar beneden of naar boven. Een dergelijke magnetische wervel is geschikt als antenne voor draadloze data-overdracht. Sluit men een gelijkstroom aan, dan begint de kern van de wervel rond te draaien. Hierbij zendt deze karakteristieke elektromagnetische golven uit.
Wordt de snelheid te hoog, dan wordt het systeem instabiel; de richting van de magnetisering klapt om en de radiogolf wordt onderbroken. De magneten in de kern van de wervel richten zich nu in tegengestelde richting, beginnen opnieuw te draaien en zenden opnieuw golven uit, totdat de snelheid weer te hoog wordt. Een constante data overdracht is dus niet mogelijk.
Stapeling
Dat wordt anders, als men twee magnetische schijven, gescheiden door een dunne, niet magnetische laag, op elkaar stapelt. De structuur is zeer vlak: elke magnetische schijf is ongeveer 10 nm dik en heeft een doorsnede van 500 nm. De tussenlaag kan er voor zorgen, dat in elke schijf de magneten niet zuiver in een kring liggen, maar soms een beetje in de richting van de kern en soms naar buiten.
Hoe dichter de magneten bij de metalen laag liggen, des te meer zijn ze naar buiten gekanteld. Hierdoor wijzen ze allemaal, zowel boven als onder de tussenlaag, in dezelfde richting. De magneten vormen tussen de kern en de buitenrand een statische, drie dimensionale wervel rond de metalen laag.
Omdat de magneten binnenin bijna loodrecht liggen en de naburige magneten steeds in dezelfde richting liggen, zijn ook de loodrecht staande magneten in de kernen van de wervels van twee tegenover elkaar liggende magnetische schijven steeds hetzelfde gericht. Ze volgen daar de richting van de magneetwervels. Hierdoor is een simpel omklappen van de magneten mogelijk.
De drie dimensionale magnetische wervels stabiliseren de magnetisering in de kern. Magnetische laagsystemen, zoals de onderzoekers samenstelden, zijn daardoor waarschijnlijk geschikter als wervelantenne dan vergelijkbare aparte lagen. Zelfs bij hoge draaisnelheden blijft de magnetische uitrichting in de kern gehandhaafd. Het is aannemelijk om frequenties van meer dan 1 GHz te halen (meer dan 1.000.000.000 omw/s). WLAN netwerken werken in dit gebied.
Productie
Voor de productie van de flinterdunne metalen tussenlaag gebruikten de onderzoekers de elektronenstraallithografie bij het AZDR. Ze hebben het zeldzame metaal rhodium gebruikt en uiteindelijk de gewenste eigenschappen verkregen door de dikte en ruwheid te veranderen.
De magnetische wervels kwamen te voorschijn met de Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) van het Paul Scherrer Instituut. Synchrotronlicht is een intense vorm van licht, waarbij de eigenschappen waren aangepast aan de eisen voor het experiment. Aan de SLS werd een raster-transmissie-röntgenmicroscoop gebruikt, die magnetiseringsrichtingen met een resolutie van 20 nm direct in beeld kan brengen en de signalen van twee verschillende magnetische lagen van elkaar kan scheiden.
Met dezelfde methode willen de onderzoekers als volgend onderwerp het gedrag van de magnetische schijfparen als hoogfrequent werkende antennes onderzoeken.
