Enkel detektion af magnetiske skyrmioner

På nuværende tidspunkt små magnetiske hvirvler - såkaldte skyrmioner - diskuteres som lovende kandidater til bits i fremtidens robuste og kompakte datalagringsenheder. På universitetet i Hamburg blev disse eksotiske magnetiske strukturer for nylig fundet at eksistere i ultratynde magnetiske lag og flerlag, svarende til dem, der bruges i nuværende harddiskdrev og magnetiske sensorer. Imidlertid, indtil nu var en ekstra magnet nødvendig for udlæsning af skyrmioner. Nu har forskere fra Universitetet i Hamburg og Christian-Albrechts-Universität i Kiel påvist, at skyrmioner kan påvises meget lettere på grund af en drastisk ændring af den elektriske modstand i disse magnetiske hvirvler. For fremtidige datalagringskoncepter lover dette en betydelig forenkling med hensyn til fremstilling og drift.

Stabile hvirvler i magnetiske materialer (se figur) blev forudsagt for over 25 år siden, men den eksperimentelle realisering blev først opnået for nylig. Opdagelsen af ​​sådanne skyrmioner i tynde magnetiske film og flerlag, allerede brugt i dagens teknologi, og muligheden for at flytte disse skyrmioner ved meget lave elektriske strømtætheder, har åbnet perspektivet for at bruge dem som bits i nye datalagringsenheder.

Indtil nu er individuelle magnetiske hvirvler detekteret enten ved elektronmikroskopi eller ved modstandsændringen i en tunnelkontakt med en magnetisk sonde. Ved at bruge et scanning tunneling mikroskop kunne forskere fra Universitetet i Hamburg nu påvise, at modstanden også ændrer sig, når et ikke-magnetisk metal bruges i en sådan måling. 'I vores eksperiment kan vi flytte atomspidsen over en overflade med atomskala præcision, og på den måde kan vi måle modstanden på forskellige positioner i en skyrmion' siger Christian Hanneken, en ph.d.-studerende i gruppen af ​​prof. Roland Wiesendanger. Dette muliggør beviset for den lokalt varierende modstand inden for den magnetiske hvirvel. 'Vi fandt en modstandsændring på op til 100%, tillader et simpelt detektionsskema for skyrmioner', som læge Kirsten von Bergmann forklarer.

I samarbejde med teoretiske fysikere fra universitetet i Kiel var forskerne i stand til at identificere oprindelsen af ​​modstandsændringen i den magnetiske hvirvel:Det skyldes skråningen mellem atommagneterne fra det ene atom til det næste (se figur). Jo større vinklen er mellem de tilstødende atommagneter, jo stærkere er ændringen i elektrisk modstand. 'Elektroner har et spin, og dermed interagerer de med magnetiske strukturer ', siger prof. Stefan Heinze fra universitetet i Kiel. Når elektronerne bevæger sig gennem en magnetisk hvirvel, de mærker skråningen mellem atommagneterne, fører til en lokal modstandsændring af materialet. 'Vi var i stand til at forstå denne effekt ved at udføre omfattende numeriske computersimuleringer af de elektroniske egenskaber og udviklede en simpel model for denne effekt', som den ph.d.-studerende Fabian Otte forklarer.

I fremtidige applikationer kan denne nyopdagede effekt udnyttes til at udlæse skyrmioniske bits på en enkel måde. Muligheden for at anvende vilkårlige metalliske elektroder forenkler fabrikationen og driften af ​​sådanne nye lagerenheder betydeligt.