Styr skyrmioner med lasere

EPFL-forskere har produceret kontrollerbare stabile skyrmioner ved hjælp af laserimpulser, tager et skridt i retning af væsentligt mere energieffektive hukommelsesenheder. Værket er udgivet i Fysisk gennemgangsbreve .

En skyrmion er en samling elektronspin, der ligner en hvirvel i visse magnetiske materialer. Skyrmioner kan eksistere individuelt eller i mønstre kaldet gitter. Opkaldt efter den britiske fysiker Tony Skyrme, som først teoretiserede eksistensen af ​​deres elementarpartikel-modstykker i 1962, skyrmioner har tiltrukket sig opmærksomhed for deres potentiale i at blive brugt i såkaldte "spintroniske" enheder, som ville bruge spin snarere end ladningen af ​​elektroner, bliver dermed væsentligt mere miniaturiseret og energieffektiv.

Den største interesse har været fokuseret på hukommelseslagringsteknologier. Skyrmioner kan være ret stabile og kræver meget lidt energi til at skrive eller slette dem:nogle undersøgelser har vist, at skabe og udslette skyrmioner kan være næsten 10, 000 gange mere energieffektiv end konventionelle datalagringsenheder. Imidlertid, dette ville kræve en hurtig og pålidelig måde at kontrollere og manipulere individuelle skyrmioner på.

Nu, laboratorierne hos Fabrizio Carbone og Henrik M. Rønnow ved EPFL har været i stand til at skrive og slette stabile skyrmioner ved hjælp af laserimpulser. Forskerne brugte en jern-germanium-legering, som kan være vært for skyrmioner ved omkring 0oC, ikke for langt fra stuetemperatur. Dette er vigtigt i sig selv, da mange af disse fundamentale eksperimenter normalt finder sted ved temperaturer for lave til nogensinde at være kommercielt meningsfulde.

Forskerne udnyttede den superkølende effekt, der følger efter et ultrahurtigt temperaturspring, som i sig selv induceres i legeringen af ​​en ultrakort laserimpuls. Under superafkølingen, skyrmioner kan fryses ind på steder, hvor de ikke ville forekomme under konventionelle ligevægtsforhold.

De dannede skyrmioner blev afbildet ved hjælp af tidsopløst kryogen Lorentz elektronmikroskopi, som kan "se" magnetiske domænestrukturer og magnetiseringsreverseringsmekanismer i virkeligt rum og realtid. Denne teknik er en udvikling af statisk kryo-elektronmikroskopi, som Jacques Dubochet vandt Nobelprisen i kemi for i 2017.

"Det, vi gjorde, var at påføre en laserimpuls på legeringen, mens den blev holdt ved en temperatur og et eksternt magnetfelt, der normalt forbyder fremkomsten af ​​skyrmioner, " siger Fabrizio Carbone. "Individuelle skyrmioner sås at dukke op nær prøvens kanter ved hvert lysglimt. Desuden, når skyrmionerne var etableret, ved at justere parametrene i nærheden af ​​overgangen mellem at have skyrmionerne og ikke have dem længere, laserimpulser kan bruges til at slette dem via lokal varmeinduceret afmagnetisering."

Forskerne var i stand til at skrive og slette skyrmioner på legeringen inden for et par hundrede nanosekunder til et par mikrosekunder. Imidlertid, resultaterne foreslår også ruter til at konstruere super-afkølingshastighederne for hurtigere kontrol af skyrmionerne, ned til picosekunder.

"Energibarriererne for at manipulere skyrmioner kan være meget små, " siger Carbone. "Det betyder, at hvis dette var en hukommelseslagringsenhed, energiforbruget estimeret af vores eksperimenter, hvor lysegenskaberne endnu ikke var skræddersyet til at optimere denne parameter, er i området femto-joule (kvadrilliontedele af en joule) pr. bit, allerede sammenlignelig med de mest energieffektive prototyper, der findes."

På trods af at det er en proof-of-principle undersøgelse, forskerne kunne ikke lade være med at tænke i applikationer. "Vi har faktisk beregnet den energi, det kræver, uden nogen optimering i vores eksperiment, " siger Carbone. "Og vi fandt ud af, at det allerede var på niveau med den mindst energiforbrugende datalagringsenhed til dato. Hvis implementeret i enheder, dette ville betyde noget i retning af, at din bærbare computers batteri holder i omkring en måned, før det skal oplades."