Hoog-mobiliteits traagheids-domeinwanden aangedreven door spin-transfer koppel in een ferrimagnetisch spineloxide

Racende wanden in toekomstige geheugenchips

Moderne apparaten zijn afhankelijk van geheugen dat snel kan schakelen en zo min mogelijk energie verbruikt. Deze studie onderzoekt een speciaal magnetisch materiaal waarin onzichtbare grenzen in de magneet, zogenaamde domeinwanden, door korte elektrische pulsen met record­snelheden worden voortgeduwd. Het begrijpen en beheersen van deze kleine bewegende wanden kan leiden tot snellere, koeler draaiende geheugen- en logische chips die informatie op nieuwe manieren opslaan en verwerken.

Een nieuw soort magnetische racetrack

Ingenieurs dromen al lang van "racetrack-geheugen", waarbij informatiebits worden opgeslagen als magnetische gebieden langs een smalle strook en heen en weer worden verschoven in plaats van fysiek verplaatst. De uitdaging is deze gebieden snel te laten schuiven met bescheiden elektrische stromen. In dit werk richten de auteurs zich op een ferrimagnetisch oxide genaamd NiCo2O4, gegroeid als een ultradunne film op een kristallen substraat. Dit materiaal combineert een lage totale magnetisatie met een hoge elektrische geleiding en sterk gepolariseerde elektronen­spins — ingrediënten die de theorie voorspelt dat domeinwanden snel en met weinig energieverlies kunnen bewegen.

De verborgen magnetische grenzen zichtbaar maken

Voordat ze de wanden konden verplaatsen, moest het team eerst hun vorm en interne torsie begrijpen. Ze gebruikten een scannende sensor gebaseerd op een enkel defect in diamant om de kleine magnetische velden boven de film met nanometerprecisie in kaart te brengen. Door deze veldkaarten te modelleren, ontdekten ze dat de wanden van het Bloch-type zijn, wat betekent dat de magnetisatie zijwaarts draait bij het oversteken van de wand. De metingen lieten ook zien dat een andere interactie die wanden vaak in een andere configuratie verdraait hier praktisch afwezig is. Deze goed‑gedisciplineerde wandstructuur maakt de beweging voorspelbaarder wanneer stroom wordt toegepast.

Wanden duwen met zachte elektrische stromen

Om de wanden aan te drijven stuurden de onderzoekers korte stroompulsen langs geëtste stroken van het materiaal en volgden de resulterende beweging met een microscoop die kleine veranderingen in gereflecteerd licht detecteert. Ze observeerden dat wanden in de richting van de stroom bewegen met snelheden boven één kilometer per seconde bij een stroomdichtheid die lager is dan in veel concurrerende materialen. Nog opvallender was dat wanden begonnen te bewegen bij duidelijk meetbare snelheden onder stromen die één tot twee orde van grootte zwakker zijn dan doorgaans nodig. Door zorgvuldig de beweging te vergelijken voor tegengestelde stroomrichtingen en magnetische velden toonde het team aan dat de wanden vooral door spin-transfer koppel worden bewogen — een proces waarbij de spins van de elektronen in de stroom duwen op de lokale magnetisatie.

Traagheid en efficiënte beweging op nanoschaal

Wanneer de stroompuls stopt, houden de wanden in dit materiaal niet onmiddellijk halt. In plaats daarvan blijven ze ongeveer een miljardste van een seconde doorglijden, een teken dat ze traagheid hebben, vergelijkbaar met een klein object met massa. Door de pulsduur te variëren konden de onderzoekers zien dat kortere pulsen gemiddeld hogere snelheden opleverden, omdat veel van de beweging plaatsvond nadat de puls was uitgezet. Dit gedrag stelde hen in staat te schatten hoe snel de wanden accelereren en afremmen, waarbij een karakteristieke tijd van ongeveer één nanoseconde naar voren kwam — korter dan waarden gezien in veel ferromagneten. Uit deze metingen haalden ze ook parameters die aantonen dat het niet‑adiabatische deel van het koppel, dat in ferrimagnetische systemen bijzonder sterk is, in dit oxide uitzonderlijk groot is.

Wat dit betekent voor toekomstige apparaten

Samengevat onderscheidt NiCo2O4 zich als een materiaal waarin domeinwanden zeer snel bewegen bij relatief lage stromen, en waarvan hun traagheid en interne structuur nu kwantitatief zijn doorgrond. In vergelijking met andere metalen en oxiden die voor soortgelijke apparaten worden gebruikt, biedt dit spineloxide een aantrekkelijke balans tussen snelheid en energie­kost voor het verschuiven van bits langs een magnetische racetrack. Omdat het ook optische controle met ultrakorte laserpulsen ondersteunt, zou deze klasse van ferrimagnetische spinelmaterialen de basis kunnen vormen voor toekomstige geheugen‑ en reken­technologieën die elektrische en optische schakeling van magnetisme combineren.

Bronvermelding: Wu, M., Ding, S., van Schie, L. et al. High-mobility inertial domain walls driven by spin-transfer torque in a ferrimagnetic spinel oxide. Nat Commun 17, 4672 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71290-6

Trefwoorden: spintronica, domeinwandbeweging, ferrimagnetisch oxide, spin transfer koppel, racetrack-geheugen