Sinds hun experimentele ontdekking, magnetische skyrmions - kleine magnetische knopen - zijn de focus van onderzoek geworden. Wetenschappers uit Hamburg en Kiel hebben nu kunnen aantonen dat individuele magnetische skyrmionen met een diameter van slechts enkele nanometers zelfs zonder extern magnetisch veld in magnetische metaalfilms kunnen worden gestabiliseerd. Ze doen verslag van hun ontdekking in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het bestaan ​​van magnetische skyrmionen als deeltjesachtige objecten werd 30 jaar geleden voorspeld door theoretische natuurkundigen, maar kon pas in 2013 experimenteel worden bewezen. Skyrmionen met een diameter van micrometers tot enkele nanometers werden ontdekt in verschillende magnetische materiaalsystemen. Hoewel ze kunnen worden gegenereerd op een oppervlak van een paar atomen en worden gemanipuleerd met elektrische stromen, ze vertonen een hoge stabiliteit tegen invloeden van buitenaf. Dit maakt ze potentiële kandidaten voor toekomstige gegevensopslag of logische apparaten. Om concurrerend te zijn voor technologische toepassingen, echter, skyrmionen moeten niet alleen heel klein zijn, maar ook stabiel zonder een aangelegd magnetisch veld.

Onderzoekers van de universiteiten van Hamburg en Kiel hebben nu een belangrijke stap in die richting gezet. Op basis van kwantummechanische numerieke berekeningen uitgevoerd op de supercomputers van de Noord-Duitse Supercomputing Alliance (HLRN), de natuurkundigen uit Kiel konden voorspellen dat individuele skyrmionen met een diameter van slechts enkele nanometers zouden verschijnen in een atomair dunne, ferromagnetische kobaltfilm (zie Fig. 1). "De stabiliteit van de magnetische knopen in deze films is te wijten aan een ongebruikelijke competitie tussen verschillende magnetische interacties, " zegt Sebastian Meyer, doctoraat student in de onderzoeksgroep van prof. Stefan Heinze aan de Universiteit van Kiel.

Deze voorspelling werd vervolgens bevestigd door Hamburgse onderzoekers rond Dr. Kirsten von Bergmann met behulp van hoge resolutie scanning tunneling microscopie. De lage temperatuur metingen door Marco Perini, doctoraat student in de onderzoeksgroep van Prof. Dr. Roland Wiesendanger, tonen magnetische skyrmionen in de geprepareerde kobaltfilms zonder dat een extern magnetisch veld hoeft te worden aangelegd (zie Fig. 2). "Tot dusver, individuele skyrmionen zijn bijna altijd gegenereerd door magnetische velden. In onze metaalfilms komen de skyrmionen spontaan voor, " legt Kirsten von Bergmann uit. "Voor toekomstige toepassingen in spin-elektronica moeten de skyrmionen niet alleen stabiel zijn bij extreem lage temperaturen, zoals in de onderzochte metaalfilms, maar ook bij omgevingstemperatuur. Om deze volgende stap naar toepassing te realiseren, de concurrentie tussen verschillende magnetische interacties die hier wordt gevonden, kan een grote bijdrage leveren."