Forskere bruger varme til at skabe transformationer mellem skyrmioner og antiskyrmioner

I et eksperiment, der kunne hjælpe udviklingen af ​​nye spintronics-enheder med lavt energiforbrug, har forskere fra RIKEN og samarbejdspartnere brugt varme og magnetiske felter til at skabe transformationer mellem spin-teksturer - magnetiske hvirvler og antivirvler kendt som skyrmioner og antiskyrmioner - i en enkelt krystal tynd. pladeanordning. Det er vigtigt, at de opnåede dette ved stuetemperatur.

Skyrmioner og antiskyrmioner, som er teksturer, der findes i specielle magnetiske materialer, der involverer spin af elektronerne i materialet, er et aktivt forskningsområde, da de kunne bruges til næste generations hukommelsesenheder, for eksempel med skyrmioner, der fungerer som en "1" bit og antiskyrmioner en "0" bit.

Tidligere har videnskabsmænd været i stand til at flytte dem på en række forskellige måder og skabe transformationer mellem dem ved hjælp af elektrisk strøm. Men fordi nuværende elektroniske enheder forbruger elektrisk strøm og producerer spildvarme, besluttede forskerne i gruppen, ledet af Xiuzhen Yu ved RIKEN Center for Emergent Matter Science, at se, om de kunne finde en måde at skabe transformationerne ved hjælp af varmegradienter.

Ifølge Yu, "Da cirka to tredjedele af den energi, der produceres af kraftværker, biler, forbrændingsanlæg og fabrikker spildes som varme, troede vi, at det ville være vigtigt at forsøge at skabe transformationer mellem skyrmioner og antiskyrimioner - hvilket tidligere er blevet gjort ved hjælp af elektrisk strøm - ved hjælp af varme."

For at udføre forskningen, nu offentliggjort i Nature Communications , brugte forskerne en fokuseret ionstråle - et ekstremt præcist fremstillingssystem - til at skabe en mikroenhed ud fra bulk-enkeltkrystalmagneten (Fe_0,63 Ni_0,3 Pd_0,07 )₃ P, sammensat af jern-, nikkel-, palladium- og fosforatomer, og brugte derefter Lorentz scanningsmikroskopi - en avanceret metode til at undersøge materialers magnetiske egenskaber i meget små skalaer.

Det, de fandt, er, at når en temperaturgradient blev påført krystallen samtidigt med et magnetfelt ved stuetemperatur, forvandledes antiskyrmioner i den først til ikke-topologiske bobler - en slags overgangstilstand mellem skyrmioner og antiskyrmioner - og derefter til skyrmioner , da temperaturgradienten blev hævet. De forblev derefter i stabil konfiguration som skyrmioner, selv når den termiske gradient blev elimineret.

Dette var et fund i overensstemmelse med teoretiske forventninger, men et andet fund overraskede gruppen. Ifølge Fehmi Sami Yasin, en postdoc-forsker i Yus gruppe, "vi var overraskede over også at opdage, at når magnetfeltet ikke blev påført, førte den termiske gradient til en transformation fra skyrmioner til antiskyrmioner, som også forblev stabile i materialet."

"Det, der er meget spændende ved dette," fortsætter han, "er, at det betyder, at vi kunne bruge en termisk gradient – ​​dybest set ved at bruge spildvarme – til at drive en transformation mellem skyrmioner og antiskyrmioner, afhængigt af om et magnetfelt påføres eller ej. er særligt vigtigt, at vi var i stand til at gøre dette ved stuetemperatur. Dette kunne åbne vejen for en ny type informationslagringsenheder, såsom ikke-flygtige hukommelsesenheder, der bruger spildvarme."

Ifølge Yu, "Vi er meget begejstrede for hans opdagelse og planlægger at fortsætte vores arbejde med at manipulere skyrmioner og antiskyrmioner på nye og mere effektive måder, herunder termisk kontrol af antiskyrmions bevægelse, med det mål at bygge egentlige termospintroniske og andre spintroniske enheder som kunne bruges i vores hverdag For at lave bedre enheder er vi nødt til grundigt at udforske forskellige enhedsdesigns og geometrier."

Flere oplysninger: Fehmi Sami Yasin et al., Varmestrømdrevne topologiske spin-teksturtransformationer og spiralformet q-vektor-omskiftning, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42846-7

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af RIKEN