Den synkroniserede dans af skyrmion -spins

I de seneste år, spænding har hvirvlet rundt om en type kvasi-partikel kaldet en skyrmion, der opstår som en kollektiv adfærd for en gruppe elektroner. Fordi de er stabile, kun få nanometer i størrelse, og mangler bare små elektriske strømme til at transportere dem, skyrmions rummer potentiale som grundlag for ultrakompakte og energieffektive informationslagrings- og behandlingsenheder i fremtiden.

Nu, en forskergruppe i Singapore har brugt computersimuleringer til yderligere at undersøge skyrmioners adfærd, at få indsigt, der kan hjælpe forskere og ingeniører med bedre at studere kvasi-partiklerne i eksperimenter. De nye resultater, udgivet i denne uge i AIP forskud , kan også føre til skyrmion-baserede enheder såsom mikrobølge nano-oscillatorer, bruges i en række applikationer, herunder trådløs kommunikation, billeddannelsessystemer, radar og GPS.

"Dens unikke egenskaber, for eksempel, kunne teoretisk muliggøre notebooks med harddiske på størrelse med jordnødder, og alligevel bruger lidt energi, "sagde Meng Hau Kuok fra National University of Singapore og en af ​​værkets forfattere.

Iagttaget i 2009, skyrmions opstår fra elektronernes kollektive adfærd i magnetiske materialer under visse betingelser. På grund af deres spins, elektronerne fungerer som små magneter, hvor deres magnetiske poler flugter med deres spins. Et fænomen kaldet Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI)-som forekommer ved grænsefladen mellem et magnetisk lag og et ikke-magnetisk metal-vipper spinnene og arrangerer dem i cirkulære mønstre. Disse cirkulære arrangementer af spins, som opfører sig kollektivt som partikler, er skyhyrninger.

Selvom forskere har undersøgt, hvordan grupper af skyhormoner opfører sig, lidt er kendt om deres interne adfærd, Sagde Kuok. I særdeleshed, fysikere forstår ikke fuldstændigt partiklernes tre grundlæggende tilstande, som er analoge med de grundlæggende vibrationstilstande i en guitarstreng svarende til forskellige musiknoter. Ligesom disse noter, hver skyrmion -tilstand er forbundet med en bestemt frekvens.

"Tilstandene kan betragtes som cirkulære mønstre af spins, der danser synkroniseret, "Sagde Kuok. Forståelse af tilstande er afgørende for at vide, hvordan partiklerne ville opføre sig.

I en af ​​tilstande, kaldet vejrtrækningstilstand, mønsteret af spins udvides og kontraherer skiftevis. I de to andre tilstande, det cirkulære arrangement af spins roterer i retning med og mod uret, henholdsvis.

Forskerne fokuserede på en type skyrmion kaldet Néel skyrmion, som findes i ultratynde film afsat på metaller med et stærkt DMI. Ved hjælp af en computer, de simulerede, hvordan DMI og eksterne magnetfelter med varierende styrker påvirkede partiklernes tilstande og egenskaber. De fandt ud af, at givet den samme DMI -styrke, og hvis i krystalfasen, frekvenserne, der svarer til hver tilstand, afhænger forskelligt af magnetfeltstyrken.

Forøgelse af magnetfeltet får også skyrmionerne til at ændre fase i forhold til hinanden, fra at blive arrangeret i ordnede arrays som en krystal til tilfældigt fordelt og isoleret. Forskerne fandt ud af, at de tre tilstande reagerer forskelligt på denne faseovergang.

Overraskende, Kuok sagde, alle tre tilstande kan eksistere i krystalfasen, mens rotationsfunktionen med uret ikke findes i den isolerede fase. En grund, simuleringerne afsløret, kan være, at skyrmionerne er længere fra hinanden i den isolerede fase end i krystalfasen. Hvis skyerne er for langt fra hinanden, så kan de ikke interagere. Denne interaktion kan være nødvendig for rotation med uret, Sagde Kuok.

Fordi modusfrekvenserne for skyrmions er inden for mikrobølgeovnen, kvasi-partiklerne kunne bruges til nye mikrobølge nano-oscillatorer, som er vigtige byggesten til mikrobølge integrerede kredsløb.

En mikrobølge nano-oscillator baseret på skyrmions kunne fungere ved tre resonansfrekvenser, svarende til de tre tilstande. Et stigende magnetfelt ville sænke resonansfrekvenserne i vejrtrækningen og rotere med uret med forskellige hastigheder, men øg resonansfrekvensen for den modsatte roterende tilstand. Sådan en skyrmion-baseret enhed ville være mere kompakt, stabil, og kræver mindre energi end konventionel, elektronbaserede nano-oscillatorer.

Men før skyrmions finder vej til enheder, forskere mangler stadig at konstruere deres specifikke ønskede egenskaber, såsom størrelse, og præcist justere deres dynamiske egenskaber. "Vores resultater kunne give teoretisk indsigt i at tackle disse udfordringer, "Sagde Kuok.