材料特性的新能力，最新研究揭示：三维纳米陀螺仪复杂的磁结构！

来自多国的研究小组揭示了纳米级陀螺体的磁性状态，即三维手性网状纳米结构。这些发现为研究与自旋电子学相关的非传统信息处理和紧急现象增加了一个新的候选系统。相互作用的纳米结构阵列，提供了实现前所未有的材料特性能力，因为相互作用可以产生新的“新兴”现象。在磁学中，到目前为止，这种突现现象只在二维、人造自旋和磁晶体中被证明。

然而，实现磁性“超材料”的进展受到两个障碍阻碍，这种材料可以通过在三维（3-D）中显示紧急效应来形成先进自旋电子器件的基础。第一个问题是需要制造尺寸小于100 nm（与本征磁长标尺相当）的复杂三维积木块，第二个问题是可视化它们磁构型的挑战。因此，研究小组决定研究纳米尺度的磁陀螺仪，即由三个相连顶点组成的三维网络，这些顶点由三个弯曲的纳米线状支柱组成。

图示：单回转网络的结构单元示意图，从一对顶点开始，这对顶点共享三根支柱中的一根，并被一个“扭曲”角度偏移；中间图像显示了顶点对如何组成一个陀螺体单元，右侧的图像显示了单元如何组装成陀螺体网络。

陀螺仪吸引了很多人的兴趣，因为尽管它们很复杂，但它们可以从精心配制的聚合物组合中自组装，这些聚合物可以用作三维模具或模板来形成独立的纳米结构。当支柱连接成螺旋线时，陀螺仪有一种“利手”或手性，其形状使磁陀螺仪成为测试从曲率中出现新磁性预测的理想系统。对陀螺仪光学性质的测量，甚至表明陀螺仪可以具有拓扑特性，这与手征效应一起是目前开发新型自旋电子器件的热门课题。

图示：自组装制备Ni-Fe回旋纳米结构工艺示意图。

然而，由于陀螺仪中可能存在的磁态尚未确定，因此进行了这项研究。研究人员通过嵌段共聚模板和电沉积，制备了直径为11 nm的支柱和42 nm的单元Ni75Fe25单陀螺体和双陀螺体（由一对镜像的单陀螺体形成）纳米结构。这些尺寸与Ni-Fe中的畴壁宽度和自旋波波长相当，然后用离轴电子全息术对陀螺仪纳米颗粒进行成像，这可以以纳米空间分辨率绘制陀螺仪支柱及其周围的磁化和杂散磁场模式。

借助有限元微磁模拟对图案的分析，揭示了一种非常复杂的磁状态，它是整体铁磁的，但没有唯一的平衡构型，这意味着磁陀螺可以采用大量的稳定状态。这些发现使磁陀螺仪成为储藏库计算和自旋波逻辑等应用的候选对象，这项研究向三维纳米尺度磁性超材料迈出了令人兴奋的第一步，这种材料可以用来发现新的新兴效应，并促进基础和应用自旋电子学的研究。

图示：(左)用电子全息成像的Ni-Fe回旋体纳米结构中及其周围的杂散场图样，其中包含单回旋区和双回旋区，纳米结构的轮廓用红色表示；(右)Ni-Fe陀螺纳米颗粒磁化分布的微磁模拟，色轮显示磁化方向；箭头高亮显示一组回转支柱的平均方向。

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博科园｜研究/来自：东北大学

研究发表期刊《纳米快报》

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