EPFL-wetenschappers hebben controleerbare stabiele skyrmionen geproduceerd met behulp van laserpulsen, een stap zetten in de richting van aanzienlijk energiezuinigere geheugenapparaten. Het werk is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Een skyrmion is een verzameling elektronenspins die eruitzien als een vortex in bepaalde magnetische materialen. Skyrmionen kunnen afzonderlijk bestaan ​​of in patronen die roosters worden genoemd. Vernoemd naar de Britse natuurkundige Tony Skyrme die in 1962 voor het eerst theoretiseerde over het bestaan ​​van hun tegenhangers van elementaire deeltjes. skyrmionen hebben de aandacht getrokken vanwege hun potentieel om te worden gebruikt in zogenaamde "spintronische" apparaten, die de spin zou gebruiken in plaats van de lading van elektronen, dus aanzienlijk geminiaturiseerd en energiezuiniger.

De meeste belangstelling ging uit naar geheugenopslagtechnologieën. Skyrmions kunnen vrij stabiel zijn en hebben weinig energie nodig om ze te schrijven of te wissen:sommige onderzoeken hebben aangetoond dat het maken en vernietigen van skyrmions bijna 10 kan zijn, 000 keer energiezuiniger dan conventionele apparaten voor gegevensopslag. Echter, dit zou een snelle en betrouwbare manier vereisen om individuele skyrmions te controleren en te manipuleren.

Nutsvoorzieningen, de laboratoria van Fabrizio Carbone en Henrik M. Rønnow bij EPFL hebben stabiele skyrmionen kunnen schrijven en wissen met behulp van laserpulsen. De wetenschappers gebruikten een ijzer-germanium legering, die skyrmionen kan bevatten bij ongeveer 0oC, niet te ver van kamertemperatuur. Dit is op zich belangrijk, omdat veel van deze fundamentele experimenten gewoonlijk plaatsvinden bij temperaturen die te laag zijn om ooit commercieel zinvol te zijn.

De onderzoekers maakten gebruik van het superkoelende effect dat volgt op een ultrasnelle temperatuursprong, die zelf door een ultrakorte laserpuls in de legering wordt geïnduceerd. Tijdens de superkoeling, skyrmionen kunnen worden ingevroren op plaatsen waar ze niet zouden voorkomen in conventionele evenwichtsomstandigheden.

De zich vormende skyrmionen werden afgebeeld met behulp van in de tijd opgeloste cryogene Lorentz-elektronenmicroscopie, die magnetische domeinstructuren en magnetisatie-omkeringsmechanismen in reële ruimte en realtime kan "zien". Deze techniek is een evolutie van statische cryo-elektronenmicroscopie, waarvoor Jacques Dubochet in 2017 de Nobelprijs voor Scheikunde won.

"Wat we deden was een laserpuls op de legering toepassen terwijl deze op een temperatuur en een extern magnetisch veld werd gehouden die normaal gesproken het verschijnen van skyrmionen verbiedt, ", zegt Fabrizio Carbone. "Bij elke lichtflits werden individuele skyrmionen waargenomen nabij de randen van het monster. Verder, zodra de skyrmions waren gevestigd, door de parameters aan te passen in de buurt van de overgang tussen het hebben van de skyrmions en het niet meer hebben ervan, laserpulsen kunnen worden gebruikt om ze te wissen via lokale verwarming geïnduceerde demagnetisatie."

De onderzoekers konden binnen enkele honderden nanoseconden tot enkele microseconden skyrmionen op de legering schrijven en wissen. Echter, de resultaten suggereren ook routes om de superkoelsnelheden te ontwikkelen voor een snellere controle van de skyrmionen, tot picoseconden.

"De energiebarrières voor het manipuleren van skyrmionen kunnen erg klein zijn, " zegt Carbone. "Dit betekent dat, als dit een geheugenopslagapparaat was, het energieverbruik geschat door onze experimenten, waarbij de lichteigenschappen nog niet waren afgestemd om deze parameter te optimaliseren, ligt in de regio van femto-joules (quadrillionste van een joule) per bit, al vergelijkbaar met de meest energiezuinige prototypes die beschikbaar zijn."

Ondanks dat het een proof-of-principle studie is, de onderzoekers konden het niet laten om in toepassingen te denken. "We hebben de benodigde energie berekend, zonder enige optimalisatie in ons experiment, ", zegt Carbone. "En we ontdekten dat het al op het niveau was van het minst energieverbruikende apparaat voor gegevensopslag tot nu toe. Indien geïmplementeerd in apparaten, dit zou betekenen dat de batterij van je laptop ongeveer een maand meegaat voordat hij moet worden opgeladen."