De Nobelprijs voor de Natuurkunde 2016 werd toegekend aan drie theoretische natuurkundigen voor hun ontdekkingen van topologische faseovergangen en topologische fasen van materie, waarin de rol en het belang van topologie bij het begrijpen van de fysieke wereld wordt benadrukt. Op het gebied van magnetisme, topologie is ook direct gerelateerd aan en fundamenteel voor de fysica van een exotische magnetische textuur, het magnetische skyrmion.

Magnetische skyrmionen zijn magnetische structuren op nanoschaal met topologische kwantumgetallen, die in een aantal materialen voorkomen en kunnen worden gecontroleerd door methoden zoals elektrische stroom en andere. Vanwege hun grootte op nanoschaal en topologisch beschermde stabiliteit, magnetische skyrmionen zijn veelbelovend in spintronische toepassingen zoals magnetisch geheugen en logische computerapparatuur. Om magnetische skyrmionen te manipuleren voor informatieverwerking, het is essentieel om hun dynamiek volledig te begrijpen.

Onlangs, een team van onderzoekers uit China en Japan heeft de magnetische skyrmionen in gefrustreerde magneten bestudeerd en genoten van de exotische dynamiek van gefrustreerde magnetische skyrmionen, die totaal verschilt van die van magnetische skyrmionen in gewone ferromagnetische materialen. Ze vonden de helicity locking-unlocking transitie van gefrustreerde magnetische skyrmionen door dipool-dipool interacties op te nemen in hun theoretische model, wat een energieterm is die gewoonlijk verwaarloosbaar is voor gewone ferromagnetische skyrmionen. In de gefrustreerde magneten, de dipool-dipool interactie speelt een belangrijke rol in de heliciteit (rotatiemodus)-baan (translationele modus) koppeling van het skyrmion, vooral bij lage temperatuur. In aanvulling, de onderzoekers laten zien dat de stroomgestuurde skyrmion- en antiskyrmion-dynamiek met vergrendeling-ontgrendelingshelicity in gefrustreerde magneten nieuwe spintronische toepassingen mogelijk kunnen maken, zoals de op helicity gebaseerde informatieopslagapparaten.

De ontdekking wordt deze week gerapporteerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van de Chinese Universiteit van Hong Kong, Shenzhen-onderzoeker Xichao Zhang, en promovendus Jing Xia, en vier anderen van de Universiteit van Shenzhen, China, Shinshu-universiteit, Japan, en de Universiteit van Tokio, Japan.

"Heliciteit is een vrijheidsgraad van gefrustreerde magnetische skyrmionen, " zegt Xichao Zhang, een onderzoeker aan de Chinese Universiteit van Hong Kong, Shenzhen, en de eerste auteur van de studie. "In conventionele ferromagnetische materialen, de heliciteit van een skyrmion kan niet effectief worden gecontroleerd, terwijl we vinden dat het mogelijk is om de skyrmion-helicity te regelen door gebruik te maken van de helicity-vergrendeling-ontgrendelingsovergang in gefrustreerde magnetische materialen." Zhang voegt eraan toe dat de controle van de helicity kan leiden tot nieuwe spintronische toepassingen zoals de op helicity gebaseerde skyrmionische geheugens.

"Onze studie toont ook de interacties tussen gefrustreerde skyrmionen en antiskyrmionen, die problemen van zowel theoretische als praktische betekenis zijn, " legt Yan Zhou uit, universitair hoofddocent van de Chinese Universiteit van Hong Kong, Shenzhen, en de corresponderende auteur van de studie. Zhou zegt dat het ook mogelijk is om logische computerapparatuur te bouwen op basis van skyrmions en antiskyrmions, en zijn groep streeft dit momenteel na.

"We kunnen gefrustreerde skyrmionen gebruiken als een binair geheugen door gebruik te maken van twee stabiele Bloch-achtige toestanden, waar de helix kan worden geschakeld door stroom toe te passen, " zegt Motohiko Ezawa, docent van de Universiteit van Tokio, en de andere corresponderende auteur van de studie.