Forskere observerer unikt kiralt magnetisk fænomen

Små magnetiske hvirvelstrukturer, såkaldte skyrmions, er blevet undersøgt intensivt i nogen tid for fremtidige energieffektive pladsbesparende datalagringsenheder. Forskere ved Forschungszentrum Jülich har nu opdaget en anden klasse af partikellignende magnetiske objekter, der kan tage udviklingen af ​​datalagringsenheder et betydeligt skridt fremad. De nyopdagede magnetiske partikler gør det muligt at kode digitale data direkte med to forskellige typer magnetiske objekter, nemlig med skyrmions og magnetiske bobbers - hvis skyrmions bruges til at kode nummer et, så kunne de nye strukturer bruges til at kode tallet nul.

Disse objekter, der omtales som "chirale magnetiske bobbers, "er tredimensionelle magnetiske strukturer, der vises nær overflader af visse legeringer.

"I lang tid, det unikke objekt for forskning inden for kirale magneter var den magnetiske skyrmion. Vi leverer nu et nyt objekt til undersøgelse af forskere - en kiral bobber - som er kendetegnet ved en række unikke egenskaber, "siger Dr. Nikolai Kiselev fra Jülichs Peter Grünberg Institute (PGI-1). For tre år siden, sammen med instituttets direktør prof. Stefan Blügel og andre samarbejdspartnere, de forudsagde eksistensen af ​​denne nye klasse af magnetiske strukturer teoretisk. Nu, forskere fra Ernst Ruska-Center for Mikroskopi og Spektroskopi med Elektroner (direktør Prof. Rafal E. Dunin-Borkowski og hans kolleger) har demonstreret eksistensen af ​​kirale bobbers i et rigtigt materiale eksperimentelt.

Stabiliteten af ​​magnetiske strukturer, såsom skyrmions, er relateret til en egenskab ved materialet kendt som kiralitet. Ligesom en højre hånd ikke kan omdannes til en venstre hånd af symmetrihensyn, højrehåndede og venstrehåndede magnetiske strukturer kan ikke konverteres til hinanden. Desuden, både skyrmions og de nyopdagede chiral bobbers er meget små, med diametre på typisk kun få snesevis af nanometer. Derfor, de kan i princippet bruges til at pakke data meget tæt på en hukommelseschip. Imidlertid, deres lille størrelse gør deres observation meget udfordrende. "Visualiseringen af ​​magnetisk tekstur i så lille en skala kræver særlige state-of-the-art teknikker, der kun er tilgængelige i få laboratorier verden over, "forklarer Rafal Dunin-Borkowski.

Der er en anden vigtig grund til, at magnetiske solitoner (et andet navn for partikelignende objekter i ikke-lineær fysik) såsom skyrmions og chiral bobbers er så lovende til applikationer. I modsætning til databit på harddiske, skyrmions er bevægelige genstande. Deres bevægelse langs et styrespor i en chip kan induceres af en meget svag puls af elektrisk strøm. Denne ejendom giver nye muligheder for udvikling af et helt nyt koncept for magnetisk solid-state-hukommelse-den såkaldte skyrmion-racerhukommelse. "Skyrmions mobilitet gør det muligt for data at flytte fra skrive- til læseelementer uden behov for bevægelige mekaniske dele, såsom læse- og skrivehoveder og spinde selve harddisken, "forklarer Nikolai Kiselev. Denne kapacitet sparer energi, fordi komponenter, der bevæger sig generelt kræver mere energi, optager mere plads og har en tendens til at være følsomme over for mekaniske vibrationer og stød. En ny solid state magnetisk hukommelse ville være fri for sådanne ulemper.

"Indtil nu, det blev antaget, at digitale data på en eller anden måde skulle repræsenteres som en sekvens af skyrmions og tomme rum, "siger Stefan Blügel. Afstanden mellem successive skyrmions koder derefter for binær information. Men den skal derefter kontrolleres eller kvantificeres, så ingen information går tabt ved spontan drift af skyrmionerne. I stedet, de nyopdagede tredimensionelle magnetiske partikler tilbyder muligheder for at kode digitale data direkte som en sekvens af skyrmions og magnetiske bobbers, som hver kan flyde frit uden at beholde præcise afstande mellem successive databitbærere.

Yderligere forskning er nødvendig for at udvikle praktiske anvendelser. I jern-germaniumlegeringen undersøgt af Nikolai Kiselev og hans kolleger, strukturerne er kun stabile op til 200 Kelvin, hvilket svarer til -73,5 grader Celsius. Imidlertid, baseret på teoretiske overvejelser, det forudsiges, at magnetiske bobber også kan forekomme i andre kirale magneter og, ligesom nogle nyligt opdagede skyhormoner, kan også eksistere ved stuetemperatur.