Hvorfor skyrmioner kan have meget til fælles med glas og højtemperatur-superledere

Forskere har længe vidst, at magnetisme skabes af elektronernes spins, der stiller sig op på bestemte måder. Men for omkring et årti siden opdagede de endnu et forbløffende lag af kompleksitet i magnetiske materialer:Under de rigtige forhold kan disse spin danne små hvirvler eller hvirvler, der fungerer som partikler og bevæger sig rundt uafhængigt af de atomer, der affødte dem.

De bittesmå hvirvler kaldes skyrmioner, opkaldt efter Tony Skyrme, den britiske fysiker, der forudsagde deres eksistens i 1962. Deres lille størrelse og robuste natur - som knuder, der er svære at fortryde - har givet anledning til et hurtigt voksende felt, der er viet til at forstå dem bedre og udnytter deres mærkelige egenskaber.

"Disse objekter repræsenterer nogle af de mest sofistikerede former for magnetisk orden, som vi kender til," sagde Josh Turner, en stabsforsker ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory og hovedforsker ved Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) hos SLAC.

"Når skyrmioner dannes," sagde han, "skeder det på én gang gennem hele materialet. Hvad der er endnu mere interessant er, at skyrmioner bevæger sig rundt, som om de er individuelle, uafhængige partikler. Det er som en dans, hvor alle spins kommunikerer med hinanden og bevæger sig i forening for at kontrollere skyrmionernes bevægelse, og imens sidder atomerne i gitteret under dem bare der."

Fordi de er så stabile og så små - omkring 1.000 gange så store som et atom - og nemt kan flyttes ved at anvende små elektriske strømme, sagde han, "der er masser af ideer om, hvordan man kan udnytte dem til nye typer computer- og hukommelseslagring teknologier, der er mindre og bruger mindre energi."

Mest interessant for Turner er dog den grundlæggende fysik bag, hvordan skyrmioner dannes og opfører sig. Han og kolleger fra DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory og University of California, San Diego har udviklet metoder til at fange skyrmioners aktiviteter i deres naturlige, uforstyrrede tilstand med hidtil usete detaljer ved hjælp af SLAC's røntgenfri-elektronlaser, Linac Coherent Light Kilde (LCLS). Det giver dem mulighed for at måle detaljer på nanoskala - så små som milliontedele af en tomme - og observere ændringer, der finder sted på milliardtedele af et sekund.

I en række nyere artikler beskriver de eksperimenter, der tyder på, at skyrmioner kan danne en glaslignende fase, hvor deres bevægelser er så langsomme, at de ser ud som om de sidder fast, som biler i en trafikprop. Yderligere målte de, hvordan skyrmioners naturlige bevægelse i forhold til hinanden kan svinge og ændre sig som reaktion på et påført magnetfelt, og opdagede, at denne iboende bevægelse aldrig ser ud til at stoppe helt. Denne evigt tilstedeværende udsving, sagde Turner, indikerer, at skyrmioner kan have meget til fælles med højtemperatursuperledere - kvantematerialer, hvis evne til at lede elektricitet uden tab ved relativt høje temperaturer kan være relateret til fluktuerende striber af elektronspin og ladning.

Forskerholdet var i stand til at observere skyrmion-svingninger i en tynd magnetisk film lavet af mange vekslende lag af jern og gadolinium ved at tage snapshots med LCLS-røntgenlaserstrålen med kun 350 billioner af et sekunds mellemrum. De siger, at deres metode kan bruges til at studere fysikken i en lang række materialer, såvel som deres topologi - et matematisk koncept, der beskriver, hvordan en genstands form kan deformeres uden fundamentalt at ændre dens egenskaber. I tilfælde af skyrmioner er topologi det, der giver dem deres robuste natur, hvilket gør dem svære at udslette.

"Jeg tror, ​​at denne teknik vil vokse og blive meget kraftfuld i fysik af kondenseret stof, fordi der ikke er så mange direkte måder at måle disse fluktuationer på over tid," sagde Sujoy Roy, en stabsforsker ved Berkeley Labs Advanced Light Source. "Der er et stort antal undersøgelser, der kan udføres på ting som superledere, komplekse oxider og magnetiske grænseflader."

Sergio Montoya, en videnskabsmand ved Center for Memory and Recording Research ved UC San Diego, som designede og fremstillede materialet, der blev brugt i denne undersøgelse, tilføjede:"Denne form for information er vigtig, når du udvikler elektronik i stor skala og har brug for at se, hvordan de opfør dig i hele materialet, ikke kun på et lille sted."

Hurtige øjebliksbilleder af ændringer i atomskala

Montoya begyndte at studere jern-gadolinium-filmen omkring 2013. Dengang var det allerede kendt, at skyrmion-gitre kunne dannes, når magnetiske felter blev påført visse magneter, og der var en stærk forskningsindsats for at opdage nye materialer, der var i stand til at huse skyrmioner ved stuetemperatur . Montoya lavede omhyggeligt de lagdelte materialer og justerede vækstbetingelserne for at justere egenskaberne af skyrmion-gitteret - "designet og skræddersyet af materialet spiller en stor rolle i undersøgelser som disse," sagde han - og gik sammen med Roy for at undersøge dem med Røntgenstråler fra den avancerede lyskilde.

I mellemtiden var Turner og hans team hos LCLS ved at udvikle et nyt værktøj, der er som et kamera til at tage snapshots af atomskalaudsving ved ekstremt hurtige lukkerhastigheder. To røntgenlaserimpulser, hver blot en milliontedel af en milliardtedel af et sekund lang, rammer en prøve med en milliontedel til milliardtedel af et sekund fra hinanden. Røntgenstrålerne flyver ind i en detektor og danner "plettede mønstre", hver så unik som et fingeraftryk, der afslører subtile ændringer i materialets komplekse struktur.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."