Een gezamenlijk onderzoeksproject van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU), de Universiteit van Siegen, Forschungszentrum Jülich, en de Elettra Synchrotron Trieste heeft een nieuwe mijlpaal bereikt voor de ultrasnelle beheersing van magnetisme. Het internationale team heeft gewerkt aan magnetisatieconfiguraties die chirale verdraaiing vertonen. Chiraliteit is een symmetrie die breekt, die zich voordoet, bijvoorbeeld, in de natuur in moleculen die essentieel zijn voor het leven. Chiraliteit wordt ook wel handigheid genoemd, omdat handen een alledaags voorbeeld zijn van twee items die - in spiegelbeeld gerangschikt - niet op elkaar kunnen worden geplaatst. Magnetisatieconfiguraties met een vaste chiraliteit worden momenteel intensief onderzocht vanwege hun fascinerende eigenschappen zoals verbeterde stabiliteit en efficiënte manipulatie door stroom. Deze magnetische texturen beloven dus toepassingen op het gebied van ultrasnelle chirale spintronica, bijvoorbeeld bij het ultrasnel schrijven en besturen van chirale topologische magnetische objecten zoals magnetische skyrmionen, d.w.z., speciaal gedraaide magnetisatieconfiguraties met opwindende eigenschappen.

De nieuwe inzichten gepubliceerd in Natuurcommunicatie licht werpen op de ultrasnelle dynamiek na optische excitatie van chirale spinstructuren in vergelijking met collineaire spinstructuren. Volgens de bevindingen van de onderzoekers, de chirale orde herstelt sneller in vergelijking met de collineaire orde na excitatie door een infrarood laser.

Het onderzoeksteam voerde kleine hoek röntgenverstrooiingsexperimenten uit op magnetische dunne-filmmonsters die chirale magnetische configuraties stabiliseerden in de vrije elektronenlaser (FEL) faciliteit FERMI in Triëst in Italië. De faciliteit biedt de unieke mogelijkheid om de magnetisatiedynamiek met femtoseconde tijdresolutie te bestuderen door circulair links of rechts gepolariseerd licht te gebruiken. De resultaten wijzen op een sneller herstel van chirale orde in vergelijking met collineaire magnetische ordedynamiek, wat betekent dat wendingen stabieler zijn dan rechte magnetische configuraties.

Samenwerking met toonaangevende internationale partners als hoeksteen van succesvol onderzoek

"We hebben lang aan dit experiment gewerkt. Nu we weten dat de ultrasnelle dynamiek van chirale en collineaire spinstructuren verschilt, we kunnen ons concentreren op het aanpakken van de afhankelijkheid van ultrasnelle dynamiek van materiaaleigenschappen zoals de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie, een interactie die kan leiden tot de stabilisatie van chirale spinstructuren, " zei Nico Kerber van het Institute of Physics aan de Universiteit van Mainz, hoofdauteur van het artikel.

"We zijn vooral onze Italiaanse collega's dankbaar die een deel van het experiment hebben uitgevoerd tijdens de eerste coronavirusvergrendeling in Europa. Deze aanvullende scans waren van vitaal belang voor ons onderzoek en we zijn blij dat video-ondersteuning en het insturen van monsters hier is gelukt. Maar we kijken er ook naar uit om deze experimenten opnieuw persoonlijk uit te voeren met onze collega's van FERMI, " voegde professor Christian Gutt van de Universiteit van Siegen toe, corresponderende auteur van het artikel.

"Ik ben erg blij met de volgende stap die is gezet om het gebruik van chirale magnetisatieconfiguraties in nieuwe spintronische apparaten mogelijk te maken. De internationale samenwerking met grote faciliteiten zoals FERMI is cruciaal om dergelijk werk mogelijk te maken. Samenwerkingen zoals deze zijn een hoeksteen van ons graduate onderwijs programma's en onderzoekscentra, " benadrukte professor Mathias Kläui van JGU, supervisor van de eerste auteur en directeur van het excellentieproject Dynamics and Topology (TopDyn). "We stimuleren deze samenwerkingen met financiering van het Collaborative Research Centre CRC/TRR 173 Spin+X, de twee graduate programma's Materials Science in Mainz (MAINZ) en Max Planck Graduate Center met Johannes Gutenberg University Mainz (MPGC), en het onderzoeksgebied TopDyn."