Magnetische skyrmionen zijn kleine entiteiten, manifesteert zich in magnetische materialen die bestaan ​​uit gelokaliseerde wendingen in de magnetisatierichting van het medium. Elk skyrmion is zeer stabiel omdat het elimineren ervan vereist dat de magnetisatierichting van het materiaal wordt losgedraaid, net zoals een knoop aan een touwtje alleen kan worden losgemaakt door de rest van het touwtje uit de knoop te trekken. Magnetische skyrmionen zijn een veelbelovende kandidaat voor magnetische opslagapparaten van de volgende generatie vanwege hun stabiliteit en kleine formaat - met een breedte van 50 nanometer of minder, ze nemen slechts een fractie van het oppervlak van magnetische bits in huidige harde schijven in beslag. Om deze reden, onderzoekers hebben intensief gezocht naar materialen die magnetische skyrmionen kunnen bevatten, en het bestuderen van hun elektrische en magnetische eigenschappen.

Onlangs, een belangrijke doorbraak in het begrijpen van het gedrag van magnetische skyrmionen is aangekondigd door een team van wetenschappers in Singapore en Israël. Ze hebben laten zien, Voor de eerste keer, dat de aanwezigheid van magnetische skyrmionen ondubbelzinnig verband houdt met een fenomeen dat bekend staat als het topologische Hall-effect, die beschrijft hoe elektrische stromen worden afgeleid door een opkomend magnetisch veld van een skyrmion. Het werk werd in maart 2019 gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het team bestudeerde een synthetisch nanomateriaal dat is geoptimaliseerd voor het hosten van magnetische skyrmionen, samengesteld uit opeenvolgende lagen iridium, ijzer, kobalt, en platina, elk met een dikte van een nanometer of minder. in 2017, hetzelfde nanomateriaal had het vroegste bewijs geleverd voor het topologische Hall-effect bij kamertemperatuur, waargenomen door de onderzoeksgroep van Christos Panagopoulos aan de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), die ook het huidige werk leidde. Professor Panagopoulos en zijn collega's toonden aan dat de Hall-weerstand van het nanomateriaal - de verhouding van transversale spanning tot elektrische stroom in de aanwezigheid van een magnetisch veld - anomalieën bevat die moeilijk te verklaren waren, behalve door het effect van magnetische skyrmionen.

"Het interessante aan de manier waarop skyrmionen de Hall-weerstand beïnvloeden, is dat het afhangt van hoe de magnetisatie rond elk skyrmion draait, " legt Panagopoulos uit. "Wiskundig gezien, dergelijke wendingen worden 'topologische' kenmerken genoemd, daarom wordt het fysieke fenomeen het 'topologische Hall-effect' genoemd."

Echter, sommige aspecten van de experimenten van 2017 bleven moeilijk uit te leggen. De gegevens leken erop te wijzen dat de anomalieën in de Hall-weerstand 100 keer groter waren dan de theoretische voorspellingen op basis van het topologische Hall-effect. Om een ​​duidelijke verbinding tot stand te brengen, de elektrische metingen moesten zorgvuldig worden afgestemd op directe waarnemingen van magnetische skyrmionen. Om dit te bereiken, de Panagopoulos-groep werkte samen met het laboratorium van Ophir Auslaender in Technion, het Israëlisch Instituut voor Technologie. Met behulp van een ultramoderne magnetische krachtmicroscoop bij lage temperatuur, de Auslaender-groep verkreeg zeer nauwkeurige beelden van de skyrmionen in het nanomateriaal. Opmerkelijk, ze ontdekten dat bepaalde "wormachtige" magnetisatiepatronen werden gevormd door meerdere skyrmionen die met elkaar verbonden waren.

Door elektrische Hall-metingen en magnetische beeldvorming te combineren, de samenwerking slaagde erin de discrepantie tussen theorie en experiment aanzienlijk te verkleinen. "Het eerste wat we ons realiseerden was dat het aantal magnetische skyrmionen met een factor tien was onderschat, " zegt M. Raju, een research fellow bij NTU die een van de hoofdauteurs van de studie is. "Dieper graven, we konden aantonen dat het aantal magnetische skyrmionen recht evenredig is met de topologische Hall-weerstand. Dit levert overtuigend bewijs dat de skyrmionen verantwoordelijk zijn, niet een ander onverklaard fenomeen."

Ondanks deze voorsprong Professor Panagopoulos merkt op dat de topologische Hall-weerstand hoger blijft dan de theorie voorspelt, en suggereert dat de resterende discrepantie een kwestie van theoretische beperkingen kan zijn. "Het topologische Hall-effectconcept is gebaseerd op aannames, zoals adiabaticiteit, die theoretisch handig zijn, maar mogelijk niet nauwkeurig zijn voor echte materialen, " merkt hij op. "Met behulp van deze verbeterde experimentele methoden, we bouwen een meer geavanceerd begrip op van hoe elektrische ladingen interageren met magnetische spin in deze belangrijke en technologisch veelbelovende materialen."