Skyrmion-forskning:Fletninger af nanovortices opdaget

Et hold videnskabsmænd fra Tyskland, Sverige og Kina har opdaget et nyt fysisk fænomen:komplekse flettede strukturer lavet af små magnetiske hvirvler kendt som skyrmioner. Skyrmioner blev først opdaget eksperimentelt for lidt over et årti siden og har siden været genstand for adskillige undersøgelser, samt give et muligt grundlag for innovative koncepter inden for informationsbehandling, der giver bedre ydeevne og lavere energiforbrug. Desuden, skyrmioner påvirker et materiales magnetoresistive og termodynamiske egenskaber. Opdagelsen har derfor relevans for både anvendt og grundforskning.

Strenge, tråde og flettede strukturer kan ses overalt i dagligdagen, fra snørebånd, til uldne pullovere, fra fletninger i et barns hår til de flettede stålkabler, der bruges til at understøtte utallige broer. Disse strukturer ses også almindeligt i naturen og kan, for eksempel, give plantefibre træk- eller bøjningsstyrke. Fysikere ved Forschungszentrum Jülich, sammen med kolleger fra Stockholm og Hefei, har opdaget, at sådanne strukturer findes på nanoskala i legeringer af jern og metalloid germanium.

Disse nanostrenge består hver af flere skyrmioner, der er snoet sammen i større eller mindre grad, snarere som trådene af et reb. Hver skyrmion selv består af magnetiske momenter, der peger i forskellige retninger og tilsammen tager form af en aflang lille hvirvel. En individuel skyrmionstreng har en diameter på mindre end en mikrometer. Længden af ​​de magnetiske strukturer er kun begrænset af prøvens tykkelse; de strækker sig fra den ene overflade af prøven til den modsatte overflade.

Tidligere undersøgelser af andre videnskabsmænd havde vist, at sådanne filamenter stort set er lineære og næsten stavformede. Imidlertid, ultrahøjopløsningsmikroskopiundersøgelser foretaget på Ernst Ruska-Centret i Jülich. De teoretiske undersøgelser ved Jülichs Peter Grünberg Institut har afsløret et mere varieret billede:Trådene kan faktisk sno sig sammen i forskellig grad. Ifølge forskerne, disse komplekse former stabiliserer de magnetiske strukturer, hvilket gør dem særligt interessante til brug i en række applikationer.

"Matematik indeholder en stor variation af disse strukturer. Nu ved vi, at denne teoretiske viden kan omsættes til virkelige fysiske fænomener, " Jülich fysiker Dr. Nikolai Kiselev er glad for at rapportere. "Disse typer strukturer inde i magnetiske faste stoffer antyder unikke elektriske og magnetiske egenskaber. Imidlertid, yderligere forskning er nødvendig for at bekræfte dette."

For at forklare uoverensstemmelsen mellem disse undersøgelser og tidligere, forskeren påpeger, at analyser ved hjælp af et elektronmikroskop med ultrahøj opløsning ikke blot giver et billede af prøven, som i tilfælde af, for eksempel, et optisk mikroskop. Dette skyldes, at kvantemekaniske fænomener spiller ind, når højenergielektronerne interagerer med dem i prøven.

"Det er ret muligt, at andre forskere også har set disse strukturer under mikroskopet, men har ikke været i stand til at tolke dem. Dette skyldes, at det ikke er muligt direkte at bestemme fordelingen af ​​magnetiseringsretninger i prøven ud fra de opnåede data. I stedet, det er nødvendigt at skabe en teoretisk model af prøven og at generere en slags elektronmikroskopbillede fra den, " forklarer Kiselev. "Hvis de teoretiske og eksperimentelle billeder matcher, man kan konkludere, at modellen er i stand til at repræsentere virkeligheden." I ultrahøjopløselige analyser af denne art, Forschungszentrum Jülich med dets Ernst Ruska-Centre tæller som en af ​​de førende institutioner på verdensplan.