Magnetiske skyrmioner:To metoder til at skabe dem og styre deres bevægelse

Magnetiske skyrmioner er ekstremt små og stabile magnetiseringshvirvler, ofte omtalt som "topologiske kvasipartikler", da en fremvoksende stabilitet omfavner dette spin-ensemble. Som sådan kan skyrmioner manipuleres, mens de bevarer deres form. I ferromagnetiske tynde film kan de bekvemt skabes med en elektrisk strømimpuls eller endnu hurtigere med en laserimpuls - dog indtil videre kun på tilfældige positioner i materialet. Skyrmioner er videnskabeligt interessante fra to perspektiver:På den ene side ses magnetiske skyrmioner som informationsbærere i fremtidens informationsteknologi. På den anden side kan skyrmioner i tynde magnetiske film fungere som et ideelt testleje til at studere dynamikken af ​​topologisk ikke-trivielle magnetiske kvasipartikler.

Men for at gøre fremskridt på dette område kræves pålidelig generering af den magnetiske skyrmion på kontrollerede positioner. Et team af forskere, ledet af Max Born Institute, har nu opnået fuld nanometer-skala kontrol af skyrmion-generationen ved to uafhængige tilgange, der anvender He ⁺ -ionbestråling eller brug af bagsidereflekterende masker.

I de senere år er der rapporteret om store fremskridt med hensyn til at generere, udslette og flytte magnetiske skyrmioner i magnetiske tyndfilm. Et vigtigt værktøj til at undersøge disse magnetiske teksturer i nano- til mikrometerskala er at afbilde dem direkte - enten med synligt lys eller røntgenstråler. Hvis vi vil studere de dynamiske egenskaber sammen med rumlige karakteristika, skal vi optage en film bestående af mange billedrammer. Det er dog næppe muligt at optage en skyrmion-film direkte på de relevante tidsskalaer på nano- eller endda picosekunder - den optagelsestid, der kræves for et enkelt billede, er typisk for lang.

Dette problem løses almindeligvis ved at anvende gentagne stroboskopiske målinger - såkaldte "pumpe-probe-eksperimenter" - hvor den samme proces gentages igen og igen, mens den bliver afbildet. For at muliggøre sådanne tidsopløste målinger skal dynamikken i den magnetiske skyrmion være kontrollerbar og deterministisk. Et team af forskere ledet af Max Born Institute har nu etableret to metoder til pålideligt at skabe skyrmioner på ønskede positioner og til at guide deres bevægelser – væsentlige skridt hen imod optagelse af videoer af skymioner i bevægelse.

En første metode bygger på bestråling af den magnetiske film, der er vært for skyrmionerne, med en fokuseret helium-ion-stråle for fleksibelt at skabe mønstre af forskellige former og størrelser i det magnetiske materiale. Det er vigtigt, at denne lokale modifikation med meget lette ioner kun påvirker materialets magnetiske egenskaber, mens filmen forbliver strukturelt intakt. Ved at anvende heliumioner er det muligt at foruddefinere positioner, hvor skyrmioner optræder efter at have udløst deres skabelse med en kort puls af elektrisk strøm eller laserlys (se fig. 1, hvor skyrmioner er kerneformet i to rækker af isolerede prikker).

Især den magnetiske modifikation viser sig at være skånsom nok til endda at tillade en kontrolleret løsrivelse af skyrmion fra dens generationssted og dens efterfølgende uhindrede bevægelse. Ved at kombinere et sådant skyrmion-oprettelsessted med en ledende kanal var holdet desuden i stand til at vise kontinuerlig bevægelse af en magnetisk skyrmion drevet af elektriske strømimpulser over titusvis af mikrometer frem og tilbage i den såkaldte magnetiske racerbane - fuldstændigt undertrykke enhver uønsket sidelæns bevægelse, som er iboende for strømdrevne skyrmioner.

I en anden tilgang til at foruddefinere skymion-kernedannelsessteder designede forskerne nanomønstrede reflekterende masker på bagsiden af ​​det magnetiske materiale. Disse masker gør det muligt at kontrollere excitationsamplituderne, der nås, når man rammer den magnetiske film med en laser, hvilket resulterer i nanometerskala-præcision på den rumlige fordeling af magnetiske skyrmioner skabt (se fig. 1, hvor skyrmioner er kerneformet på et firkantet gitter).

Da maskerne er forberedt på bagsiden af ​​den magnetiske film modsat den laserbelyste overflade, bevarer tilgangen fri frontsideadgang til den magnetiske film til fx påvisning af skyrmionerne. Anvendelsen af ​​denne bagsidemaske-tilgang med dens uhindrede adgang til den magnetiske film kan nemt overføres til andre foto-inducerede omskiftningsfænomener for at tilføje nanometerkontrol på de skiftede områder.

Resultaterne af disse undersøgelser, offentliggjort i Nano Letters og Fysisk gennemgang B , kan også påvirke forskning i nye computer- og datalagringskoncepter. I løbet af de sidste årtier har vi observeret en efterspørgsel efter stadigt stigende datalagringstætheder og effektiv databehandlingskapacitet, hvilket fremkalder en enorm industriel interesse for at udforske magnetiske effekter, som er aktive på ultrahurtige og ultrasmå skalaer til teknologiske anvendelser. En mulig kandidat som næste generations informationsbærer er den magnetiske skyrmion. Med det opnåede niveau af kontrol for skyrmion-generering og -bevægelse og potentialet for endnu yderligere miniaturisering, kan teknologien i sidste ende bane vejen for mulige fremtidige enheder, såsom skyrmion racerbanehukommelser, skifteregistre og skyrmion logiske porte. + Udforsk yderligere

Deterministisk integreret manipulation af magnetiske skyrmioner opnået i nanostruktureret enhed