Neutronspredning tydeliggør arrangementet af skyrmioner i materiale

Målinger ved Australian Center for Neutron Scattering har hjulpet med at afklare arrangementet af magnetiske hvirvler, kendt som skyrmioner, i mangansilicid (MnSi).

En skyrmion er den mindst mulige ændring i en ensartet magnet:et punktlignende område med omvendt magnetisering, omgivet af et hvirvlende twist af spins.

Den magnetiske konfiguration tiltrækker opmærksomhed som en potentiel databærer i næste generations hukommelsesenheder.

En gruppe forskere ved RIKEN Center for Emergent Matter Science i Japan har opdaget, at et magnetfelt kan bruges til at skifte en gruppe skyrmioner frem og tilbage mellem to forskellige gitterarrangementer, demonstrerer den form for kontrol, der er nødvendig for avancerede hukommelsesenheder.

Undersøgelsen er offentliggjort i Videnskabens fremskridt .

Atomerne i visse materialer bærer deres egen iboende magnetisme, hvor hvert atom fungerer som en stangmagnet. Når disse miniaturemagneter fejes ind i små hvirvlende mønstre, de danner tilsammen skyrmioner, der opfører sig som diskrete partikler.

Det dannes kun i magneter, hvor interaktionen af ​​spins foretrækker en magnetisk struktur med chiral symmetri, såsom twist, der er enten venstre- eller højrehåndet.

At være cirkulær, skyrmioner pakker typisk sammen i et trekantet gitter.

Taro Nakajima og Hiroshi Oike fra RIKEN og kolleger undersøgte, hvordan dette skyrmiongitter kan manipuleres i mangansilicid.

Generelt, skyrmion-gitre forekommer i dette materiale kun inden for et snævert område af temperaturer og magnetiske felter. "Det gør gitterne for skrøbelige til at omarrangere, " sagde Nakajima.

Holdet undersøgte et mere robust skyrmion-gitter ved at påføre elektriske impulser til materialet ved 12,5 kelvin (K) og et magnetfelt på 0,2 tesla (T).

Impulserne opvarmede hurtigt materialet, hvilket får skyrmioner til at dannes i et vindue med stabilitet mellem 27 og 29 K.

Prøven afkølede hurtigt, låste skyrmionerne ind i et trekantet gitter, der var stabilt over et meget bredere område af temperaturer og magnetfelter.

Forskerne afkølede derefter prøven til 1,5 K og brugte small angle neutron scattering (SANS) på QUOKKA-instrumentet for at forstå, hvordan skyrmion-gitteret ændrede sig under forskellige magnetfelter.

Ved magnetiske felter under 0,1 T, gitteret omarrangeres til et kvadratisk mønster, som kun var stabilt inden for et relativt begrænset område af meget lave temperaturer og magnetiske felter. Ved at hæve feltet til 0,2 T genoplivede det trekantede gitter.

"På QUOKKA var det muligt at måle ændringer i skyrmiongitteret in situ, når en elektrisk strøm blev påført under forskellige magnetfelter, " sagde instrumentforsker Dr. Elliot Gilbert, og medforfatter på udgivelsen.

Selvom SANS ikke ser skyrmions partikellignende egenskaber direkte, mønstrene kan fortolkes til at give information om pakningen af ​​partiklerne.

Forskerne foreslår, at disse gitterovergange er påvirket af ujævnheder, eller anisotropi, i den underliggende magnetisme af manganatomerne i materialet.

Ved lave magnetfelter og temperaturer, denne anisotropi tillader skyrmionerne at overlappe delvist, bevæger sig tættere sammen for at vedtage et kvadratisk gitterarrangement.

Denne effekt kan godt forekomme i andre materialer, ifølge forskerholdet.

"Vores eksperimenter afslørede, at skyrmionerne faktisk har en partikelnatur i bulkkrystaller, " siger Nakajima.

"Disse forventes at være anvendelige til fremtidige magnetiske hukommelsesenheder, hvor hver skyrmion-partikel opfører sig som en informationsbærer."