Forskere studerer chirale skyrmions adfærd i chirale blomsterlignende forhindringer

I naturen kan den kollektive bevægelse af nogle fugle og fisk, såsom flokke af henholdsvis stære og stimer af sardiner, generere imponerende dynamiske fænomener. Deres undersøgelse udgør aktiv stofvidenskab, som har været et emne af stor interesse i de sidste tre årtier.

Den unikke kollektive dynamik af aktivt stof er styret af hver enkelt enheds bevægelse, interaktionerne mellem dem, såvel som deres interaktion med miljøet.

Nylige undersøgelser viser, at nogle selvkørende molekyler og bakterier viser cirkulær bevægelse med en fast chiralitet (egenskaben af ​​et objekt, hvor det ikke kan overlejres på sit spejlbillede gennem et hvilket som helst antal rotationer eller translationer), hvilket kan muliggøre udvælgelse af molekyler og bakterier med specifik chiralitet baseret på deres dynamik. Der mangler dog forskning i aktive stoflignende genstande i ikke-biologiske magnetiske og ferroelektriske materialer til anvendelser af elektronisk udstyr.

I denne henseende er chirale skyrmioner lovende. De er en speciel type spin-teksturer i magnetiske materialer med asymmetriske udvekslingsinteraktioner, som kan behandles som kvasipartikler. De bærer heltals topologiske ladninger og har en fast chiralitet på enten +1 eller -1.

For nylig har en gruppe videnskabsmænd, ledet af professor Masahito Mochizuki fra Institut for Anvendt Fysik ved Waseda University og inklusive Dr. Xichao Zhang fra Waseda University og Professor Xiaoxi Liu fra Shinshu University, grundigt undersøgt chirale skyrmions adfærd med aktivt stof. Deres papir er offentliggjort i tidsskriftet Nano Letters .

I denne undersøgelse placerede forskerne chirale skyrmioner i chirale nanostrukturhindringer i form af en simpel chiral blomst. De undersøgte derefter tilfældig vandringsdynamikken for den termisk aktiverede skyrmion, der interagerer med den chirale blomsterlignende forhindring i et ferromagnetisk lag, hvilket kunne skabe topologiafhængige resultater.

"Vores forskning viser for første gang, at magnetiske chirale skyrmioner udviser aktiv stoflignende adfærd, selv om de er af ikke-biologisk oprindelse og endda kun uhåndgribelige rumlige mønstre," siger prof. Mochizuki.

Skyrmionen med en chiralitet på -1 har potentialet til at efterlade en venstre chiral blomst, og skyrmionen med en chiralitet på +1 har potentialet til at efterlade en højre chiral blomst. Forskerne gennemførte en række simuleringer for at observere, hvordan skyrmioner ville opføre sig i begge tilfælde ved forskellige temperaturer:100 K, 150 K, 180 K og 200 K.

De indstiller simuleringstiden til 500 ns, med et tidstrin på 0,5 ns. Holdet fandt ud af, at afhængigt af kombinationen af ​​variabler, forbliver skyrmion enten inden for forhindringen eller undslipper den. Da skyrmionens bevægelse skyldes temperaturafhængig Brownsk bevægelse, som er uordnet i naturen, er dette et interessant tilfælde af at få et ordnet resultat gennem uordnet bevægelse. Dette system kan især bruges til at udvikle en topologisk sorteringsenhed.

Da han bliver spurgt om de langsigtede implikationer af deres arbejde, bemærker Prof. Liu:"Vores forskningsresultater kan være nyttige til at bygge fremtidige informationsbehandlings- og computerenheder med høj lagertæthed og lavt strømforbrug."

"På lang sigt kan de give retningslinjer for design og udvikling af ikke-konventionel elektronisk og spintronisk hardware, hvor informationen er båret af topologiske spin-teksturer i nanostrukturer. Denne præstation forventes at forbedre folks liv, da de ville være i stand til at behandle information på en energieffektiv måde, hvilket fører til et grønnere samfund," afslutter Dr. Zhang.

Flere oplysninger: Xichao Zhang et al., Chiral Skyrmions interagerer med chirale blomster, Nano-bogstaver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03792

Journaloplysninger: Nano-bogstaver

Leveret af Waseda University