Forskere observerer spontan forekomst af skyrmioner i atomisk tynde koboltfilm

Siden deres eksperimentelle opdagelse, magnetiske skyrmioner - bittesmå magnetiske knaster - er flyttet ind i forskningens fokus. Forskere fra Hamborg og Kiel har nu kunnet påvise, at individuelle magnetiske skyrmioner med en diameter på kun få nanometer kan stabiliseres i magnetiske metalfilm selv uden et eksternt magnetfelt. De rapporterer om deres opdagelse i journalen Naturkommunikation .

Eksistensen af ​​magnetiske skyrmioner som partikellignende objekter blev forudsagt for 30 år siden af ​​teoretiske fysikere, men kunne først bevises eksperimentelt i 2013. Skyrmioner med en diameter fra mikrometer til få nanometer blev opdaget i forskellige magnetiske materialesystemer. Selvom de kan genereres på en overflade af få atomer og manipuleres med elektriske strømme, de viser en høj stabilitet mod ydre påvirkninger. Dette gør dem til potentielle kandidater til fremtidig datalagring eller logiske enheder. For at være konkurrencedygtig på teknologiske applikationer, imidlertid, skyrmioner skal ikke kun være meget små, men også stabil uden et påført magnetfelt.

Forskere ved universiteterne i Hamburg og Kiel har nu taget et vigtigt skridt i denne retning. På grundlag af kvantemekaniske numeriske beregninger udført på supercomputere fra den nordtyske supercomputingalliance (HLRN), fysikerne fra Kiel var i stand til at forudsige, at individuelle skyrmioner med en diameter på kun få nanometer ville optræde i en atomisk tynd, ferromagnetisk koboltfilm (se fig. 1). "Stabiliteten af ​​de magnetiske knob i disse film skyldes en usædvanlig konkurrence mellem forskellige magnetiske interaktioner, siger Sebastian Meyer, Ph.D. studerende i Prof. Stefan Heinzes forskningsgruppe ved Kiel Universitet.

Denne forudsigelse blev efterfølgende bekræftet af Hamburg-forskere omkring Dr. Kirsten von Bergmann ved hjælp af højopløsnings scanning tunneling mikroskopi. Lavtemperaturmålingerne af Marco Perini, Ph.D. studerende i forskningsgruppen af ​​Prof. Dr. Roland Wiesendanger, vise magnetiske skyrmioner i de forberedte koboltfilm, uden at der skal påføres et eksternt magnetfelt (se fig. 2). "Indtil nu, individuelle skyrmioner er næsten altid blevet genereret af magnetiske felter. I vores metalfilm opstår skyrmionerne spontant, " forklarer Kirsten von Bergmann. "Til fremtidige anvendelser inden for spinelektronik skal skyrmionerne ikke kun være stabile ved ekstremt lave temperaturer, som i de undersøgte metalfilm, men også ved omgivelsestemperatur. For at realisere dette næste skridt hen imod ansøgning, konkurrencen mellem forskellige magnetiske interaktioner, der findes her, kan yde et stort bidrag."