Sådan løser du magnetiske nano-knuder

Skyrmioner - små magnetiske hvirvler, der optræder i visse kombinationer af materialer - betragtes som lovende informationsbærere til fremtidig datalagring. Et forskerhold fra RWTH Aachen University, Kiel Universitet, og Islands Universitet har opdaget, at disse magnetiske nano-knuder løsner sig på to forskellige måder. Ved hjælp af et magnetfelt, sandsynligheden for at lykkes med afbindingen kan varieres med op til en faktor 10, 000. Denne indsigt kan være banebrydende for fremtidig informationsbehandling med skyrmions. Forskningen er nu offentliggjort i Naturfysik .

De magnetiske nano-knuder koder information ved deres tilstedeværelse eller fravær. De vigtigste fordele ved knuderne er, at de er ekstremt stabile, kun få nanometer i størrelse, eksisterer ved stuetemperatur, og kan flyttes af meget små strømme. På grund af de små strømme, formationen læses op og skrives på en meget energirigtig måde. I princippet, skyrmioner kan også bruges til databehandling, sådan at behandling og opbevaring kan kombineres i en enkelt struktur. Dette ville gøre computere mere kompakte og vigtigere, mere energieffektiv. Baseret på disse meget lovende egenskaber, forskere verden over stræber efter at optimere skyrmions egenskaber, især med fokus på skyrmions stabilitet. Mens skyrmioner normalt er ekstremt stabile, de mindste skyrmioner, som er nødvendige for tilstrækkelig datalagringstæthed, stadig henfalder alt for hurtigt ved stuetemperatur. En detaljeret forståelse af mulige henfaldsmekanismer kunne give indsigt i, hvordan man væsentligt kan forbedre deres stabilitet.

Skyrmions exceptionelle stabilitet er et resultat af den knudelignende konfiguration af disse atommagneter. Som med et stykke reb, hvor enden af ​​rebet skal trækkes gennem et centralt hul, at løse atomknuden kræver en betydelig indsats. For den magnetiske nano-knude, der er en lidt nemmere løsning - efter at have vendt en enkelt atommagnet mod genopretningskræfterne fra dens naboatomer, knuden henfalder kontinuerligt uden yderligere indsats. Imidlertid, indtil nu, det var ikke kendt, hvilken af ​​atommagneterne på de omkring 100 i en skyrmion, der lettest vendes om, og hvad processen præcis er.

Forskerne fra Aachen, Kiel, og Reykjavik samlede deres ekspertise for at besvare disse spørgsmål. "Hvilken atommagnet der drejes afhænger af forskellige forhold, " forklarer Florian Muckel fra RWTH Chair of Experimental Physics (Solid State Physics):"Ved at ændre et magnetfelt, der virker på skyrmionerne, vi kan vælge mellem to forskellige mekanismer." Den første mekanisme komprimerer først skyrmion til størrelsen af ​​en enkelt nanometer for at lette den efterfølgende spin-vending i midten. Den anden mekanisme flytter midten af ​​knuden en nanometer mod skyrmion-periferien, før en atommagnet ret let kan vende sin orientering derhen. Som professor Markus Morgenstern, indehaver af lærestolen for eksperimentel fysik (faststoffysik) forklarer:"Ved hjælp af disse to processer, vi var i stand til at forbedre effektiviteten af ​​at løsne nano-knuden. Stabiliteten af ​​skyrmion ændres med op til en faktor 10, 000, hvor den mest stabile konfiguration kan modstå hundrede billioner forsøg på at løsne knuden, før knuden løser sig."

Den nye forståelse af, hvordan man løser magnetiske knob, er baseret på en præcis sammenligning af eksperimenter udført i Aachen med teoretisk arbejde fra forskerne fra Kiel og Reykjavík. Atomistiske computersimuleringer, baseret på nye teoretiske værktøjer, som det tog mange år at udvikle, er i stand til at spore bevægelsen af ​​hver atommagnet i afbindingsprocessen. "Takket være brugen af ​​materialespecifikke interaktionsparametre opnået fra kvantemekaniske beregninger, simuleringerne viser et meget godt match med de innovative eksperimenter, " forklarer professor Stefan Heinze. Til eksperimenterne, enkelte elektroner aflejres på forskellige positioner i skyrmion. Ved hver stilling, det afgøres, om nano-knuden forbliver til stede eller forsvinder ved hjælp af den overskydende energi, som de ekstra elektroner giver. Baseret på disse oplysninger, Der er lavet kort over sandsynligheden for at lykkes med at løse knuden. "Overensstemmelsen mellem eksperiment og simulering er imponerende, " kommenterer Stephan von Malottki, Universitetet i Kiel, hvem udførte simuleringerne. "Det er en stor succes for vores teoretiske tilgang, " tilføjer Dr. Pavel Bessarab fra Reykjavik, WHO, takket være et Alexander von Humboldt-legat, arbejdet i professor Stefan Heinzes forskningsgruppe i Kiel i 2019.

Forskerne mener, at den nye indsigt om grænserne for stabiliteten af ​​de magnetiske nano-knuder vil være med til at gøre dem endnu mere stabile i praksis. Forbedret stabilitet af skyrmioner vil gøre deres anvendelse i informationsbehandling mere effektiv. Dette kan hjælpe de nano-knuder, der skal anvendes i kommerciel datalagring i den nærmeste fremtid, ifølge forskerne.

Ligevægtsstrukturen af ​​skyrmion vist på toppen (farvede kegler symboliserer orienteringen af ​​atommagneterne) kan henfalde på to forskellige måder (venstre og højre). Disse stier er blevet opdaget ved hjælp af computersimuleringer. Overgangsstrukturen er vist i anden række. Den tredje række viser den tilsvarende energifordeling under overgangen med en energibakke, der markerer den afgørende vending af en enkelt atommagnet. Kort i den nederste række viser overgangshastighederne for begge processer. Disse kort er blevet bestemt eksperimentelt ved at afsætte yderligere elektroner på 200 forskellige positioner i skyrmion og bestemme, om nano-knuden er løst ved at måle elektronernes overskydende energi.