Pinpoint laseropvarmning skaber en malstrøm af magnetiske nanoteksturer

Et simuleringsstudie udført af forskere fra RIKEN Center for Emergent Matter Science har vist muligheden for at bruge lasere til at skabe og manipulere magnetiske hvirvler i nanoskala. Evnen til at skabe og kontrollere disse 'skyrmioner' kan føre til udviklingen af ​​skyrmion-baserede informationslagringsenheder.

Den information, vi forbruger og arbejder med, er kodet i binær form (som '1'er eller '0'er)' ved at skifte hukommelsesmediets karakteristika mellem to tilstande. Når vi nærmer os ydeevne- og kapacitetsgrænserne for konventionelle hukommelsesmedier, forskere søger mod eksotisk fysik for at udvikle den næste generation af magnetiske minder.

Et sådant eksotisk fænomen er skyrmion - en stald, nanoskala whirlpool-lignende magnetisk funktion karakteriseret ved et konstant roterende magnetisk moment. Teoretisk set, tilstedeværelsen eller fraværet af en skyrmion på et hvilket som helst sted i et magnetisk medium kunne bruges til at repræsentere de binære tilstande, der er nødvendige for informationslagring. Imidlertid, forskere har fundet det udfordrende pålideligt at skabe og udslette skyrmioner eksperimentelt på grund af vanskeligheden ved at undersøge mekanikken i disse processer i nogen detaljer. Udfordringen ligger i den utroligt korte tidsskala for disse processer, som på blot en tiendedel af et nanosekund er op til milliarder gange kortere end den tidsskala, der kan observeres under Lorentz-mikroskopet, der bruges til at måle magnetiske egenskaber.

Forfatterne til undersøgelsen, Wataru Koshibae og Naoto Nagaosa, søgte en løsning på dette problem ved at konstruere en beregningsmodel, der simulerer opvarmningen af ​​et ferromagnetisk materiale med præcise lasere (fig. 1). Denne lokaliserede opvarmning skaber både skyrmioner og 'antiskyrmioner'. Simuleringerne, baseret på kendt fysik for disse systemer, viste, at skyrmioners egenskaber er stærkt afhængige af laserens intensitet og pletstørrelse. Yderligere, ved at manipulere disse to parametre, det er muligt at kontrollere skyrmion-egenskaber såsom oprettelsestid og størrelse.

"Varme fører til tilfældig bevægelse af magnetiske spins, " forklarer Nagaosa. "Vi fandt det derfor overraskende, at lokal opvarmning skabte et topologisk ikke-trivielt ordnet objekt, endsige sammensatte strukturer af skyrmioner og antiskyrmioner" Spørgsmålet om kontrol er, hvad der adskiller disse strukturer.

Nagaosa mener, at da skyrmioner er ret stabile, disse funktioner i nanoskala kunne tænkes at blive brugt som en informationsbærer, hvis et pålideligt middel til at skabe dem efter behag kan opnås. Koshibae og Nagaosas arbejde kunne derfor danne grundlag for udviklingen af ​​state-of-the-art hukommelsesenheder. Arbejdet giver også værdifuld information om skabelsen af ​​topologiske partikler, hvilket er afgørende for at fremme viden på mange andre områder af fysikken.