Kleine magnetische wervelingen die in materialen kunnen voorkomen - zogenaamde skyrmionen - zijn veelbelovend voor nieuwe elektronische apparaten of magnetisch geheugen waarin ze worden gebruikt als bits om informatie op te slaan. Een fundamentele voorwaarde voor elke toepassing is de stabiliteit van deze magnetische wervelingen. Een onderzoeksteam van het Institute of Theoretical Physics and Astrophysics van de Kiel University heeft nu aangetoond dat tot nu toe verwaarloosde magnetische interacties een sleutelrol kunnen spelen voor de stabiliteit van skyrmion en de levensduur van skyrmion drastisch kunnen verlengen. Hun werk, die vandaag is gepubliceerd in Natuurcommunicatie , opent ook het perspectief om skyrmionen te stabiliseren in nieuwe materiële systemen waarin de eerder overwogen mechanismen niet voldoende zijn.

Intensief onderzoek naar stabiliteit bij kamertemperatuur

Hun unieke magnetische structuur - meer bepaald hun topologie - geeft stabiliteit aan skyrmionen en beschermt ze tegen instorting. Daarom, skyrmionen worden aangeduid als knopen in de magnetisatie. Echter, op het atomaire rooster van een vaste stof is deze bescherming onvolmaakt en is er slechts een eindige energiebarrière (Figuur 1). "De situatie is vergelijkbaar met een knikker die in een trog ligt en die dus een bepaalde impuls nodig heeft, energie, eraan te ontsnappen. Hoe groter de energiebarrière, hoe hoger de temperatuur waarbij het skyrmion stabiel is, " legt professor Stefan Heinze van de universiteit van Kiel uit. Vooral skyrmionen met een diameter van minder dan 10 nanometer, die nodig zijn voor toekomstige spinelektronische apparaten, zijn tot nu toe alleen waargenomen bij zeer lage temperaturen. Aangezien toepassingen doorgaans bij kamertemperatuur plaatsvinden, is de verbetering van de energiebarrière een belangrijke doelstelling in het huidige onderzoek naar skyrmionen.

Eerder, er is een standaardmodel opgesteld van de relevante magnetische interacties die bijdragen aan de barrière. Een team van theoretisch fysici van de onderzoeksgroep van professor Stefan Heinze heeft nu aangetoond dat één type magnetische interacties tot nu toe over het hoofd is gezien. In de jaren twintig kon Werner Heisenberg het optreden van ferromagnetisme verklaren door de kwantummechanische uitwisselingsinteractie die het gevolg is van het spinafhankelijke "springen" van elektronen tussen twee atomen. "Als je kijkt naar het elektronenspringen tussen meer atomen, hogere-orde uitwisselingsinteracties optreden, " zegt Dr. Souvik Paul, eerste auteur van de studie (Figuur 2). Echter, deze interacties zijn veel zwakker dan de paarsgewijze uitwisseling voorgesteld door Heisenberg en werden dus verwaarloosd in het onderzoek naar skyrmionen.

Zwakke uitwisselingsinteracties van hogere orde stabiliseren skyrmions

Op basis van atomistische simulaties en kwantummechanische berekeningen uitgevoerd op de supercomputers van de Noord-Duitse Supercomputing Alliance (HLRN) hebben de wetenschappers uit Kiel nu uitgelegd dat deze zwakke interacties nog steeds een verrassend grote bijdrage kunnen leveren aan de stabiliteit van skyrmion. Vooral het cyclisch springen over vier atoomplaatsen (zie rode pijlen in Fig. 2) beïnvloedt de energie van de overgangstoestand buitengewoon sterk (zie Fig. 1 hoogste punt rechtsboven), waar slechts een paar atomaire staafmagneten tegen elkaar worden gekanteld. Zelfs stabiele antiskyrmionen werden gevonden in de simulaties die voordelig zijn voor sommige toekomstige dataopslagconcepten, maar die doorgaans te snel vervallen.

Wisselwerkingen van hogere orde komen voor in veel magnetische materialen die worden gebruikt voor mogelijke skyrmion-toepassingen, zoals kobalt of ijzer. Ze kunnen ook skyrmionen stabiliseren in magnetische structuren waarin de eerder overwogen magnetische interacties niet kunnen plaatsvinden of te klein zijn. Daarom, de huidige studie opent nieuwe veelbelovende routes voor het onderzoek naar deze fascinerende magnetische knopen.