材料特性的新能力，最新研究揭示：三維納米陀螺儀復(fù)雜的磁結(jié)構(gòu)！

來(lái)自多國(guó)的研究小組揭示了納米級(jí)陀螺體的磁性狀態(tài)，即三維手性網(wǎng)狀納米結(jié)構(gòu)。這些發(fā)現(xiàn)為研究與自旋電子學(xué)相關(guān)的非傳統(tǒng)信息處理和緊急現(xiàn)象增加了一個(gè)新的候選系統(tǒng)。相互作用的納米結(jié)構(gòu)陣列，提供了實(shí)現(xiàn)前所未有的材料特性能力，因?yàn)橄嗷プ饔每梢援a(chǎn)生新的“新興”現(xiàn)象。在磁學(xué)中，到目前為止，這種突現(xiàn)現(xiàn)象只在二維、人造自旋和磁晶體中被證明。

然而，實(shí)現(xiàn)磁性“超材料”的進(jìn)展受到兩個(gè)障礙阻礙，這種材料可以通過(guò)在三維（3-D）中顯示緊急效應(yīng)來(lái)形成先進(jìn)自旋電子器件的基礎(chǔ)。第一個(gè)問(wèn)題是需要制造尺寸小于100 nm（與本征磁長(zhǎng)標(biāo)尺相當(dāng)）的復(fù)雜三維積木塊，第二個(gè)問(wèn)題是可視化它們磁構(gòu)型的挑戰(zhàn)。因此，研究小組決定研究納米尺度的磁陀螺儀，即由三個(gè)相連頂點(diǎn)組成的三維網(wǎng)絡(luò)，這些頂點(diǎn)由三個(gè)彎曲的納米線狀支柱組成。

圖示：?jiǎn)位剞D(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)單元示意圖，從一對(duì)頂點(diǎn)開(kāi)始，這對(duì)頂點(diǎn)共享三根支柱中的一根，并被一個(gè)“扭曲”角度偏移；中間圖像顯示了頂點(diǎn)對(duì)如何組成一個(gè)陀螺體單元，右側(cè)的圖像顯示了單元如何組裝成陀螺體網(wǎng)絡(luò)。

陀螺儀吸引了很多人的興趣，因?yàn)楸M管它們很復(fù)雜，但它們可以從精心配制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(lái)形成獨(dú)立的納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)支柱連接成螺旋線時(shí)，陀螺儀有一種“利手”或手性，其形狀使磁陀螺儀成為測(cè)試從曲率中出現(xiàn)新磁性預(yù)測(cè)的理想系統(tǒng)。對(duì)陀螺儀光學(xué)性質(zhì)的測(cè)量，甚至表明陀螺儀可以具有拓?fù)涮匦?，這與手征效應(yīng)一起是目前開(kāi)發(fā)新型自旋電子器件的熱門(mén)課題。

圖示：自組裝制備Ni-Fe回旋納米結(jié)構(gòu)工藝示意圖。

然而，由于陀螺儀中可能存在的磁態(tài)尚未確定，因此進(jìn)行了這項(xiàng)研究。研究人員通過(guò)嵌段共聚模板和電沉積，制備了直徑為11 nm的支柱和42 nm的單元Ni75Fe25單陀螺體和雙陀螺體（由一對(duì)鏡像的單陀螺體形成）納米結(jié)構(gòu)。這些尺寸與Ni-Fe中的疇壁寬度和自旋波波長(zhǎng)相當(dāng)，然后用離軸電子全息術(shù)對(duì)陀螺儀納米顆粒進(jìn)行成像，這可以以納米空間分辨率繪制陀螺儀支柱及其周圍的磁化和雜散磁場(chǎng)模式。

借助有限元微磁模擬對(duì)圖案的分析，揭示了一種非常復(fù)雜的磁狀態(tài)，它是整體鐵磁的，但沒(méi)有唯一的平衡構(gòu)型，這意味著磁陀螺可以采用大量的穩(wěn)定狀態(tài)。這些發(fā)現(xiàn)使磁陀螺儀成為儲(chǔ)藏庫(kù)計(jì)算和自旋波邏輯等應(yīng)用的候選對(duì)象，這項(xiàng)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(lái)發(fā)現(xiàn)新的新興效應(yīng)，并促進(jìn)基礎(chǔ)和應(yīng)用自旋電子學(xué)的研究。

圖示：(左)用電子全息成像的Ni-Fe回旋體納米結(jié)構(gòu)中及其周圍的雜散場(chǎng)圖樣，其中包含單回旋區(qū)和雙回旋區(qū)，納米結(jié)構(gòu)的輪廓用紅色表示；(右)Ni-Fe陀螺納米顆粒磁化分布的微磁模擬，色輪顯示磁化方向；箭頭高亮顯示一組回轉(zhuǎn)支柱的平均方向。

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