Skyrmionen - kleine magnetische draaikolken - worden beschouwd als veelbelovende kandidaten voor de informatiegeheugenapparaten van morgen, die mogelijk enorme gegevensopslag- en verwerkingscapaciteiten kunnen bereiken. Een onderzoeksteam onder leiding van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) heeft een methode ontwikkeld om een ​​bepaald magnetisch dunnefilmmateriaal te laten groeien dat deze magnetische wervels herbergt. Centraal bij deze nieuwe methode staat de abrupte verhitting van het materiaal met korte, zeer heldere lichtflitsen, als het internationale team, bestaande uit wetenschappers van HZDR, het Leibniz Instituut voor Solid State en Materials Research Dresden, TU Dresden (TUD), en Chinese partners, beschrijft in het journaal Geavanceerde functionele materialen .

In 2009, een onderzoeksteam had een opmerkelijke ontdekking gedaan:ze ontdekten dat zich kleine magnetische wervelingen kunnen vormen in een materiaal dat mangaansilicide wordt genoemd - een legering van mangaan en silicium. Vanaf dat moment, deze skyrmions, vernoemd naar de Britse natuurkundige Tony Skyrme, zijn beschouwd als veelbelovende kandidaten voor toekomstige magnetische opslagapparaten. Ze kunnen gemakkelijk worden gevormd op en worden gewist van oppervlakken en zijn niet groter dan enkele nanometers (miljardsten van een meter), waardoor ze veel kleiner zijn dan de magnetische bits op de huidige harde schijven van ongeveer 50 nanometer.

"In aanvulling, skyrmionen kunnen beter worden gericht met elektriciteit dan met magnetische velden, zoals met de huidige harde schijven wordt gedaan, " legt Dr. Shengqiang Zhou uit, een natuurkundige bij HZDR's Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Door te richten op een elektrische stroom kunnen we een betere schaalbaarheid bereiken, waardoor we in de toekomst misschien veel dichtere en snellere opslagapparaten kunnen bouwen." Maar er zijn onderweg nog enkele obstakels. silicium en mangaan vertonen een ongunstige eigenschap wanneer ze kristallen van mangaansilicide vormen:in plaats van consequent één specifiek, goed gedefinieerde fase, de twee elementen kunnen veel verschillende kristalfasen vormen. Dunne films van een Mn-Si-legering, bekend als de B20-fase, zijn bijzonder geschikt voor de vorming van skyrmionen.

Ongewenste kristalfasen

Het maken van deze legering is allesbehalve eenvoudig, Hoewel, omdat een andere ongewenste kristalfase, genaamd MnSi1.7, vormt zich onvermijdelijk tijdens het productieproces, de vorming van skyrmionen belemmeren of voorkomen. specifiek, lagere temperaturen en langzamere afkoeling van het materiaal is gunstig voor MnSi1.7. Het team van Shengqiang Zhou heeft nu een methode ontwikkeld die de vorming ervan voorkomt, waardoor er alleen dunne lagen onberispelijk B20-MnSi overblijven.

Het kernelement van het nieuwe proces is een speciale warmtebehandeling. "Het is een beetje zoals het maken van een pannenkoek, " legt Zhou uit. "Het smaakt het lekkerst als het krokant is van buiten en zo zacht mogelijk van binnen." Als je het beslag in een hete pan giet, het bakt zo snel dat de binnenkant lekker zacht blijft. Als je het beslag in de oven bakt, echter, het warmt veel gelijkmatiger op en wordt overal hard - en je krijgt een nogal middelmatige pannenkoek.

Verwarmen met flitsen

Dus gebruikten de experts deze pannenkoekenstrategie van snelle, intense verwarming als hun model. "Als we een dunne mangaanfilm die op een siliciumwafeltje is geplaatst heel kort verwarmen, we brengen heel weinig energie in het materiaal, " Zhou legt hun redenering uit. "Dit betekent dat het snel zal afkoelen - zo snel, in feite, dat het ongewenste MnSi1.7 geen tijd krijgt om zich te vormen." De uitdaging is om iets snel en krachtig tegelijkertijd te verwarmen. De onderzoeksgroep vond de oplossing in heldere, intense flitsen van wit licht.

Dergelijke flitsen kunnen worden gegenereerd in het "BlitzLab, " een Helmholtz Innovation Lab op de campus van Rossendorf. Verschillende reeksen metingen bevestigden de veronderstelling:"Door de kracht van de flitsen te variëren, we konden de verhouding van de verschillende kristalfasen met grote precisie aanpassen, " meldt Shengqiang Zhou. "Toen we relatief sterke bevoegdheden toepasten, dunne films van puur B20-MnSi gevormd zoals we hadden gehoopt."

Als resultaat, de skyrmionen die in deze lagen kunnen worden gegenereerd, zijn nu stabiel over een veel groter temperatuur- en magnetisch veldbereik dan eerder in dit materiaal werd waargenomen. Mangaansilicide zelf is waarschijnlijk niet geschikt voor praktisch gebruik, omdat het alleen werkt bij zeer lage temperaturen. Maar het zou als een belangrijk model kunnen dienen voor andere, meer bruikbare materialen. "Veel legeringen stellen het probleem dat ze verschillende fasen hebben, " legt Zhou uit. "En onze aanpak zou kunnen helpen om deze fasen in de toekomst te scheiden."