Nanostrukturer med en unik egenskab

Nanoskala hvirvler kendt som skyrmioner kan skabes i mange magnetiske materialer. For første gang, forskere ved PSI har formået at skabe og identificere antiferromagnetiske skyrmioner med en unik egenskab:kritiske elementer inde i dem er arrangeret i modsatte retninger. Det er lykkedes for forskere at visualisere dette fænomen ved hjælp af neutronspredning. Deres opdagelse er et stort skridt i retning af at udvikle potentielle nye applikationer, såsom mere effektive computere. Resultaterne af forskningen offentliggøres i dag i tidsskriftet Natur .

Hvorvidt et materiale er magnetisk afhænger af dets atomers spins. Den bedste måde at tænke på spins er som små stangmagneter. I en krystalstruktur, hvor atomerne har faste positioner i et gitter, disse spins kan arrangeres på kryds og tværs eller justeres parallelt som spydene fra en romersk legion, afhængig af det enkelte materiale og dets tilstand.

Under visse forhold er det muligt at generere bittesmå hvirvler i korpset af spins. Disse er kendt som skyrmioner. Forskere er særligt interesserede i skyrmioner som en nøglekomponent i fremtidige teknologier, såsom mere effektiv datalagring og overførsel. For eksempel, de kunne bruges som hukommelsesbits:en skyrmion kunne repræsentere den digitale, og dets fravær et digitalt nul. Da skyrmioner er betydeligt mindre end de bits, der bruges i konventionelle lagringsmedier, datatætheden er meget højere og potentielt også mere energieffektiv, mens læse- og skriveoperationer også ville være hurtigere. Skyrmions kunne derfor være nyttige både i klassisk databehandling og i banebrydende kvanteberegning.

Et andet interessant aspekt for applikationen er, at skyrmioner kan skabes og styres i mange materialer ved at påføre en elektrisk strøm. "Med eksisterende skyrmioner, imidlertid, det er vanskeligt at flytte dem systematisk fra A til B, da de har tendens til at afvige fra en lige vej på grund af deres iboende egenskaber, " forklarer Oksana Zaharko, forskningsgruppeleder ved PSI.

Samarbejde med forskere fra andre institutioner, Dr. Zaharko og hendes team har nu skabt en ny type skyrmion og demonstreret en unik egenskab:i deres indre, kritiske spins er arrangeret i modsatte retninger af hinanden. Forskerne beskriver derfor deres skyrmioner som antiferromagnetiske.

I en lige linje fra A til B

"En af de vigtigste fordele ved antiferromagnetiske skyrmioner er, at de er meget nemmere at kontrollere:hvis der påføres en elektrisk strøm, de bevæger sig i en simpel lige linje, " kommenterer Zaharko. Dette er en stor fordel:at skyrmioner er velegnede til praktiske anvendelser, det skal være muligt selektivt at manipulere og placere dem.

Forskerne skabte deres nye type skyrmion ved at fremstille dem i en tilpasset antiferromagnetisk krystal. Zaharko forklarer:"Antiferromagnetisk betyder, at tilstødende spins er i et antiparallelt arrangement, med andre ord, den ene peger opad og den næste peger nedad. Så det, der oprindeligt blev observeret som en egenskab ved materialet, identificerede vi efterfølgende også inden for de enkelte skyrmioner."

Der er stadig brug for flere trin, før antiferromagnetiske skyrmioner er modne nok til en teknologisk anvendelse:PSI-forskere måtte køle krystallen ned til omkring minus 272 grader Celsius og anvende et ekstremt stærkt magnetfelt på tre tesla - omkring 100, 000 gange styrken af ​​Jordens magnetfelt.

Neutronspredning for at visualisere skyrmionerne

Og forskerne har endnu ikke skabt individuelle antiferromagnetiske skyrmioner. For at verificere de små hvirvler, forskerne bruger Swiss Spallation Neutron Source SINQ på PSI. "Her kan vi visualisere skyrmioner ved hjælp af neutronspredning, hvis vi har mange af dem i et regulært mønster i et bestemt materiale, " forklarer Zaharko.

Men videnskabsmanden er optimistisk:"I min erfaring, hvis det lykkes os at skabe skyrmioner i en regelmæssig justering, nogen vil snart klare at skabe sådanne skyrmioner individuelt."

Den generelle konsensus i forskersamfundet er, at når individuelle antiferromagnetiske skyrmioner kan skabes ved stuetemperatur, en praktisk anvendelse vil ikke være langt væk.