Elektronholografi afslører den overraskende skønhed ved magnetiske hvirvler i nanoskala

Magnetiske hvirvler i nanoskala kendt som skyrmioner kan dannes i visse materialer, såsom tynde magnetiske film. Disse bittesmå hvirvler pakkes ind i tætte gitter, der er mere stabile end konventionelle magnetiske domæner og kan transporteres og manipuleres med minimal elektrisk strøm - funktioner, der lover meget for fremtidige informationslagringsapplikationer. At udnytte skyrmioner i sådanne hukommelsesteknologier, imidlertid, videnskabsmænd har brug for en dybere forståelse af deres grundlæggende egenskaber.

Hyun Soon Park, Toshiaki Tanigaki og kolleger fra RIKEN Center for Emergent Matter Science, i partnerskab med industrielle og akademiske forskere fra hele Japan, har nu gjort store fremskridt på dette område ved at udføre den første tredimensionelle analyse af skyrmion-gitre ved hjælp af et elektronholografimikroskop.

Det RIKEN-ledede team har banebrydende teknikker til at se skyrmioner i to dimensioner ved hjælp af teknikker, der inkluderer Lorentz transmissionselektronmikroskopi. Imidlertid, den magnetiske struktur af skyrmioner – defineret ved orienteringen af ​​elektronspin – er ikke flad, og involverer i stedet en tredimensionel fordeling af spin-orienteringer for at danne en ægte hvirvel. Det er vanskeligt at analysere denne struktur i kvantitative detaljer, fordi funktionerne ligger uden for opløsningsgrænsen for Lorentz-mikroskopi og kan skjules af den iboende ruhed af filmens overflade.

Elektron holografi, en teknik til at generere tredimensionelle visualiseringer fra interfererende elektronbølger, kan bruges til at løse magnetiske strukturer med hidtil usete detaljer. Gennem samarbejde med gruppen af ​​afdøde Akira Tonomura – en forfader til elektronholografi – hos Hitachi, Ltd, forskerne konstruerede et højspændingselektronholografimikroskop med tilstrækkelig kraft til at løse skyrmionstrukturen.

Ved hjælp af deres holografiske mikroskop, forskerne afbildede den magnetiske struktur af en tynd jern-kobolt-siliciumfilm, mens de påførte et magnetfelt. Efterhånden som magnetfeltets intensitet blev øget, de observerede en ændring i elektronspin-arrangementet fra en spiralformet struktur til den hvirvlende skyrmion-struktur. De tredimensionelle billeder afslørede, at skyrmionerne antager en tydelig cylindrisk form med et uhyggeligt smukt indre mønster (fig. 1). Spændende nok, denne magnetiske hvirvel skifter fra højre- til venstrehåndet, når retningen af ​​det påførte magnetfelt ændres.

Park bemærker, at skyrmioner med cylindriske spin-konfigurationer kan forventes at give et mere effektivt spin-overførselsmoment - en kritisk faktor ved transport af skyrmioner til datalagringsapplikationer. Han er også overbevist om, at højspændingselektronholografi har et enormt potentiale til at løse mange af de usikkerheder, der er forbundet med spintroniske enheder. "At se komplekse magnetiske strukturer med høj præcision eller i tre dimensioner er nøglen til at forstå disse systemer, " konstaterer han.