Forskere finder en ny mekanisme til stabilisering af skyrmioner

Små magnetiske hvirvler, der kan forekomme i materialer - såkaldte skyrmioner - holder høje løfter for nye elektroniske enheder eller magnetisk hukommelse, hvori de bruges som bits til at lagre information. En grundlæggende forudsætning for enhver anvendelse er stabiliteten af ​​disse magnetiske hvirvler. Et forskerhold fra Institut for Teoretisk Fysik og Astrofysik ved Kiel Universitet har nu vist, at hidtil forsømte magnetiske interaktioner kan spille en nøglerolle for skyrmions stabilitet og kan drastisk forbedre skyrmions levetid. Deres arbejde, som er offentliggjort i dag i Naturkommunikation , åbner også perspektivet for at stabilisere skyrmioner i nye materialesystemer, hvor de tidligere overvejede mekanismer ikke er tilstrækkelige.

Intensiv forskning i stabilitet ved stuetemperatur

Deres unikke magnetiske struktur - mere præcist deres topologi - giver stabilitet til skyrmioner og beskytter dem mod kollaps. Derfor, skyrmioner betegnes som knob i magnetiseringen. Imidlertid, på et fast stofs atomgitter er denne beskyttelse ufuldkommen, og der er kun en begrænset energibarriere (figur 1). "Situationen kan sammenlignes med en marmor, der ligger i et trug, som derfor har brug for en vis fremdrift, energi, at flygte fra det. Jo større energibarrieren er, jo højere er den temperatur, ved hvilken skyrmion er stabil, " forklarer professor Stefan Heinze fra Kiel Universitet. Især skyrmioner med diametre under 10 nanometer, som er nødvendige for fremtidige spinelektroniske enheder, er indtil videre kun blevet opdaget ved meget lave temperaturer. Da applikationer typisk er ved stuetemperatur, er forbedringen af ​​energibarrieren et nøglemål i nutidens forskning om skyrmioner.

Tidligere har Der er etableret en standardmodel for de relevante magnetiske interaktioner, der bidrager til barrieren. Et hold af teoretiske fysikere fra professor Stefan Heinzes forskningsgruppe har nu påvist, at én type magnetiske interaktioner hidtil er blevet overset. I 1920'erne kunne Werner Heisenberg forklare forekomsten af ​​ferromagnetisme ved den kvantemekaniske udvekslingsinteraktion, som er resultatet af den spinafhængige "hop" af elektroner mellem to atomer. "Hvis man betragter elektronen hoppe mellem flere atomer, højere ordens udvekslingsinteraktioner forekommer, " siger Dr. Souvik Paul, første forfatter af undersøgelsen (figur 2). Imidlertid, disse interaktioner er meget svagere end den parvise udveksling foreslået af Heisenberg og blev derfor forsømt i forskningen på skyrmioner.

Svage udvekslingsinteraktioner af højere orden stabiliserer skyrmioner

Baseret på atomistiske simuleringer og kvantemekaniske beregninger udført på supercomputere fra den nordtyske supercomputingalliance (HLRN) har forskerne fra Kiel nu forklaret, at disse svage interaktioner stadig kan give et overraskende stort bidrag til skyrmions stabilitet. Især den cykliske hop over fire atomare steder (se røde pile i fig. 2) påvirker energien i overgangstilstanden ekstraordinært kraftigt (se fig. 1 højeste punkt øverst til højre), hvor kun få atomstangmagneter vippes mod hinanden. Selv stabile antiskyrmioner blev fundet i simuleringerne, som er fordelagtige for nogle fremtidige datalagringskoncepter, men som typisk henfalder for hurtigt.

Højere ordens udvekslingsinteraktioner forekommer i mange magnetiske materialer, der bruges til potentielle skyrmion-applikationer, såsom kobolt eller jern. De kan også stabilisere skyrmioner i magnetiske strukturer, hvor de tidligere betragtede magnetiske interaktioner ikke kan forekomme eller er for små. Derfor, denne undersøgelse åbner nye lovende ruter for forskningen i disse fascinerende magnetiske knob.