Väitös teknillisen fysiikan alalta, DI Yifan Zhou

Digitaalinen data on olennainen osa arkielämää, ja magneettiset materiaalit ovat vallitsevassa asemassa digitaalisissa tallennusvälineissä. Nykyiset magneettiset tallennuslaitteet kärsivät kuitenkin suuresta energiankulutuksesta. Energiatehokkuuden parantamiseksi magneettisia skyrmioneja on tutkittu intensiivisesti lupaavana ehdokkaana tuleviin magneettisiin laitteisiin. Magneettiset skyrmionit pysyvät vakaina huoneenlämmössä, ovat pienikokoisia ja omaavat suuren liikkuvuuskyvyn. Aiemmat skyrmioneja koskevat tutkimukset ovat keskittyneet sähkövirtojen ohjaamiin laitteisiin. Tämä nykyinen menetelmä kuluttaa suuria määriä energiaa bittiä kohti Joule-ilmiön aiheuttaman hukkalämmön takia.

Tämän väitöskirjan tulokset, jotka perustuvat skyrmioneja tukeviin magneettisiin ohutkalvoalustoihin, kattavat neljä aihekokonaisuutta: menetelmän kehittäminen magneettisten parametrien erottamiseksi eri lämpötiloissa, skyrmionien satunnaisen lämpöliikkeen kartoittaminen rakeisissa kalvoissa, skyrmionien luominen ja tuhoaminen jännitettä ohjaamalla, sekä skyrmion -dynamiikan tutkiminen anisotropia-portaikossa. Ensimmäisessä vaiheessa tutkitaan skyrmionien käyttäytymistä määrittävien magneettisten parametrien välisiä korrelaatioita. Tulokset viittaavat siihen, että skyrmionit ovat oletettavasti termisesti stabiileja laajalla lämpötila -alueella. Lisäksi on pystytty osoittamaan, että skyrmionien väliset vuorovaikutukset tiheissä skyrmionalustoissa lisäävät näiden satunnaisliikettä rakeettomissa ohutkalvoissa. Samaan aikaan ohuissa magneettikalvoissa olevat rakeet – joiden esiintyminen kokeellisesti valmistetuissa magneettikalvoissa on lähes aina väistämätöntä - vähentävät skyrmionien satunnaisliikettä tehokkaimmin, kun raekoko ja skyrmionien halkaisija ovat samaa suuruusluokkaa. Seuraavaksi tässä työssä on kokeellisesti todistettu jännitteellä ohjattu skyrmionien luominen ja tuhoaminen GdOx/Gd/Co/Pt -heterostruktuurissa. Viimeiseksi simuloidaan skyrmionien liikettä jänniteohjatussa magneettisessa anisotropia-portaikossa.

Näiden tulosten perusteella ehdotetaan jänniteohjattua laitetta, jonka toimintaperiaate pohjautuu skyrmionien gyrotrooppisen liikkeen hyödyntämiseen. Tämän väitöstyön tuloksia voidaan hyödyntää logiikkalaitteiden ja uusien tiedonkäsittelymenetelmien suunnittelussa, joissa skyrmionien liikettä hallitaan lämpö- tai sähkökenttien avulla.

Vastaväittäjä on professori Dafiné Ravelosona, CNRS/University of Paris-Saclay, Ranska

Kustos on professori Sebastiaan van Dijken, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Väittelijän yhteystiedot: [email protected], +86 13917158423

Väitöstilaisuus järjestetään etäyhteydellä Zoomissa sekä kampuksella. Linkki tilaisuuteen

Zoom pikaopas

Väitöskirja on julkisesti nähtävillä 10 päivää ennen väitöstä Aalto-yliopiston julkaisuarkiston verkkoriiputussivulla.

Elektroninen väitöskirja (aaltodoc.aalto.fi)