Karakterisering af magnetiske nanovortices forenklet

Magnetiske nanovortices, såkaldte "skyrmions", tælle blandt de mest lovende kandidater til fremtidens informationsteknologi. Processorer og lagermedier, der gør brug af disse bittesmå strukturer, kan en dag føre til yderligere miniaturisering af IT-enheder og forbedre deres energieffektivitet betydeligt. Materialer med passende hvirvler kan især identificeres ved deres topologiske ladning, en væsentlig egenskab ved skyrmioner. At bestemme denne egenskab eksperimentelt har indtil nu været en meget besværlig proces. Fysikere fra Jülich har nu fremsat en enklere metode, som kunne fremskynde screeningen af ​​egnede materialer, ved hjælp af røntgenstråler.

Et atoms magnetiske moment har to bidrag, spindelen, som opstår fra justeringen af ​​elektronernes iboende spin-vinkelmomentum, og den orbitale del, relateret til elektronernes koordinerede orbitale bevægelse. Førstnævnte er den dominerende kilde til atomernes magnetiske moment i et fast stof, mens sidstnævnte normalt findes, når spin-kredsløbskobling er aktiv. Imidlertid, for nogle år siden fandt man ud af, at – selv uden spin-kredsløbskobling – kan et kredsløbsmoment være begrænset. For at få det til at ske, mindst tre magnetiske atomer skal kombineres, danner en trimer med en ikke-kollineær og ikke-plan magnetisk struktur.

Et hold af teoretiske fysikere fra Jülich Institute "Quantum Theory of Materials" (PGI-1/IAS-1) har nu analyseret effekten i detaljer for sådanne magnetiske trimere, og undersøgte konsekvenserne for skyrmioner. Forskerne foreslår en protokol om, hvordan man undersøger dette bidrag til orbital magnetisme, og desuden, hvordan man bruger det til at opdage og skelne mellem forskellige typer skyrmioner. "En af de vigtigste størrelser, der karakteriserer skyrmion, er den topologiske ladning, også kendt som 'skyrmion-nummeret'", forklarer Dr. Manuel dos Santos Dias, Postdoc i instituttets Young Investigators Group "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory"(Funsilab). "En direkte måling af den topologiske ladning har været vanskelig, da det kræver et detaljeret kort over den tredimensionelle magnetiske struktur eller at finde bestemte signaturer i transporteksperimenter. Derfor, kun meget få forsøg er blevet udført. Skyrmioner med en rigere indre struktur har også tiltrukket sig opmærksomhed for nylig, og vores foreslåede protokol muliggør naturligvis dens eksperimentelle bestemmelse."

jun.-Prof. Samir Lounis, leder af Funsilab, tilføjer:"Vi foreslår en spektroskopisk tilgang ved hjælp af røntgenmagnetisk cirkulær dikroisme til at måle denne mængde hurtigt og effektivt. Teknikken kan implementeres på enhver synkrotron, der dækker det bløde røntgenregime."