In recente jaren, opwinding is rond een soort quasi-deeltje gedraaid, een skyrmion genaamd, dat ontstaat als een collectief gedrag van een groep elektronen. Omdat ze stabiel zijn, slechts enkele nanometers groot, en hebben slechts kleine elektrische stroompjes nodig om ze te transporteren, skyrmions hebben potentieel als basis voor ultracompacte en energiezuinige informatieopslag- en verwerkingsapparaten in de toekomst.

Nutsvoorzieningen, een onderzoeksgroep in Singapore heeft computersimulaties gebruikt om het gedrag van skyrmionen verder te onderzoeken, het verkrijgen van inzicht dat wetenschappers en ingenieurs kan helpen om de quasi-deeltjes in experimenten beter te bestuderen. De nieuwe resultaten, deze week gepubliceerd in AIP-vooruitgang , kan ook leiden tot op skyrmion gebaseerde apparaten zoals microgolf-nano-oscillators, gebruikt in een reeks toepassingen, waaronder draadloze communicatie, beeldvormende systemen, radar en gps.

"Zijn unieke eigenschappen, bijvoorbeeld, zou in theorie notebooks met harde schijven ter grootte van pinda's kunnen ondersteunen, en toch weinig energie verbruiken, " zei Meng Hau Kuok van de National University of Singapore en een van de auteurs van het werk.

Waargenomen in 2009, skyrmionen ontstaan ​​onder bepaalde omstandigheden uit het collectieve gedrag van elektronen in magnetische materialen. Door hun spins, de elektronen fungeren als kleine magneten waar hun magnetische polen op één lijn liggen met hun spins. Een fenomeen genaamd de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie (DMI) - die optreedt op het grensvlak tussen een magnetische laag en een niet-magnetisch metaal - kantelt de spins en rangschikt ze in cirkelvormige patronen. Deze cirkelvormige opstellingen van spins, die zich collectief gedragen als deeltjes, zijn skyrmions.

Hoewel onderzoekers hebben bestudeerd hoe groepen skyrmionen zich gedragen, er is weinig bekend over hun interne gedrag, zei Kuok. Vooral, natuurkundigen begrijpen de drie fundamentele modi van de deeltjes niet volledig, die analoog zijn aan de fundamentele trillingsmodi van een gitaarsnaar die overeenkomt met verschillende muzieknoten. Zoals die aantekeningen, elke skyrmion-modus wordt geassocieerd met een bepaalde frequentie.

"De modi kunnen worden gezien als cirkelvormige patronen van spins die synchroon dansen, " zei Kuok. Het begrijpen van de modi is essentieel om te weten hoe de deeltjes zich zouden gedragen.

In een van de standen, de ademhalingsmodus genoemd, het patroon van spins zet afwisselend uit en krimpt. In de twee andere modi, de cirkelvormige opstelling van spins roteert met de klok mee en tegen de klok in, respectievelijk.

De onderzoekers concentreerden zich op een type skyrmion genaamd de Néel skyrmion, die bestaat in ultradunne films die zijn afgezet op metalen met een sterke DMI. Een computer gebruiken, ze simuleerden hoe de DMI en externe magnetische velden van verschillende sterktes de modi en eigenschappen van de deeltjes beïnvloedden. Ze ontdekten dat, gegeven dezelfde DMI-sterkte, en als in de kristalfase, de frequenties die overeenkomen met elke modus zijn verschillend afhankelijk van de magnetische veldsterkte.

Het vergroten van het magnetische veld zorgt er ook voor dat de skyrmionen van fase veranderen ten opzichte van elkaar, van gerangschikt in geordende arrays als een kristal tot willekeurig verdeeld en geïsoleerd. De onderzoekers ontdekten dat de drie modi verschillend reageren op deze faseovergang.

Verrassend genoeg, Kuok zei, alle drie de modi kunnen bestaan ​​in de kristalfase, terwijl de draaimodus met de klok mee niet bestaat in de geïsoleerde fase. Een reden, de simulaties onthuld, zou kunnen zijn dat de skyrmionen in de geïsoleerde fase verder uit elkaar liggen dan in de kristalfase. Als de skyrmions te ver uit elkaar staan, dan kunnen ze niet interageren. Deze interactie kan nodig zijn voor de draaimodus met de klok mee, zei Kuok.

Omdat de modusfrequenties van skyrmionen in het microgolfbereik liggen, de quasi-deeltjes kunnen worden gebruikt voor nieuwe microgolf-nano-oscillators, die belangrijke bouwstenen zijn voor geïntegreerde microgolfschakelingen.

Een microgolf-nano-oscillator op basis van skyrmionen zou kunnen werken op drie resonantiefrequenties, overeenkomend met de drie modi. Een toenemend magnetisch veld zou de resonantiefrequenties van de ademhalings- en met de klok mee draaiende modi met verschillende snelheden verlagen, maar verhoog de resonantiefrequentie van de tegen de klok in draaiende modus. Zo'n op skyrmion gebaseerd apparaat zou compacter zijn, stal, en hebben minder energie nodig dan conventionele, op elektronen gebaseerde nano-oscillatoren.

Maar voordat skyrmions hun weg naar apparaten vinden, onderzoekers moeten nog hun specifieke gewenste eigenschappen ontwikkelen, zoals maat, en hun dynamische eigenschappen nauwkeurig afstemmen. "Onze bevindingen kunnen theoretische inzichten verschaffen over het aanpakken van deze uitdagingen, ' zei Kuok.