De magnetische interacties tussen atomen op kleine schaal kunnen unieke toestanden zoals skyrmionen creëren. Skyrmionen hebben speciale eigenschappen en kunnen voorkomen in bepaalde materiaalsystemen, zoals een 'stapel' van verschillende sub-nanometer dikke metaallagen. Moderne computertechnologie op basis van skyrmionen - die slechts enkele nanometers groot zijn - belooft een uiterst compacte en ultrasnelle manier van opslaan en verwerken van gegevens mogelijk te maken.

Als voorbeeld, een concept voor gegevensopslag met skyrmionen zou kunnen zijn dat de bits 1 en 0 worden weergegeven door de aan- en afwezigheid van een bepaald skyrmion. Dit concept zou dus kunnen worden gebruikt in 'racetrack'-herinneringen. Echter, het is een voorwaarde dat de afstand tussen de skyrmion voor de waarde 1 en de skyrmion gap voor de waarde 0 constant blijft tijdens het verplaatsen tijdens het datatransport, anders kunnen er grote fouten optreden.

Als een beter alternatief, skyrmionen met verschillende afmetingen kunnen worden gebruikt voor de weergave van 0 en 1. Deze kunnen dan als parels aan een touwtje worden vervoerd zonder dat de afstanden tussen de parels een grote rol spelen. Het bestaan ​​van twee verschillende soorten skyrmionen (skyrmion en skyrmion bobber) is tot nu toe alleen theoretisch voorspeld en is alleen experimenteel aangetoond in een speciaal ontwikkeld monokristallijn materiaal. Bij deze experimenten echter, de skyrmionen bestaan ​​alleen bij extreem lage temperaturen. Deze beperkingen maken dit materiaal ongeschikt voor praktische toepassingen.

De onderzoeksgroep onder leiding van Hans Josef Hug bij Empa is er nu in geslaagd dit probleem op te lossen:"We hebben een meerlagensysteem geproduceerd dat bestaat uit verschillende sub-nanometer dikke ferromagnetische, edelmetaal en zeldzame aardmetalen lagen, waarin twee verschillende skyrmion-toestanden naast elkaar kunnen bestaan ​​bij kamertemperatuur, ", zegt Hug. Zijn team had skyrmion-eigenschappen bestudeerd in ultradunne ferromagnetische meerlaagse systemen met behulp van de magnetische krachtmicroscoop die ze bij Empa ontwikkelden. Voor hun laatste experimenten, ze fabriceerden materiaallagen gemaakt van de volgende metalen:iridium (Ir), ijzer (Fe), kobalt (Co), platina (Pt) en de zeldzame aardmetalen terbium (Tb) en gadolinium (Gd).

Tussen de twee ferromagnetische multilagen die skyrmionen genereren - waarin de combinatie van Ir/Fe/Co/Pt-lagen vijf keer wordt bedekt - hebben de onderzoekers een ferrimagnetische multilaag ingebracht die bestaat uit een TbGd-legeringslaag en een Co-laag. Het bijzondere van deze laag is dat hij zelf geen skyrmionen kan genereren. De buitenste twee lagen, anderzijds, genereren skyrmions in grote aantallen.

De onderzoekers hebben de mengverhouding van de twee metalen Tb en Gd en de diktes van de TbGd- en Co-lagen in de centrale laag zodanig aangepast dat de magnetische eigenschappen ervan kunnen worden beïnvloed door de buitenste lagen:de ferromagnetische lagen "dwingen" skyrmionen in de centrale ferrimagnetische laag. Dit resulteert in een meerlaags systeem waar twee verschillende soorten skyrmionen bestaan.

Experimenteel en theoretisch bewijs

De twee soorten skyrmionen kunnen gemakkelijk van elkaar worden onderscheiden met de magnetische krachtmicroscoop vanwege hun verschillende grootte en intensiteit. Het grotere skyrmion, die ook een sterker magnetisch veld creëert, dringt door in het gehele meerlagensysteem, d.w.z. ook de middelste ferrimagnetische meerlaagse laag. De kleinere, zwakkere skyrmion, aan de andere kant bestaat alleen in de twee buitenste meerlagen. Dit is het grote belang van de nieuwste resultaten met betrekking tot een mogelijk gebruik van skyrmionen bij gegevensverwerking:als binaire gegevens - 0 en 1 - moeten worden opgeslagen en gelezen, ze moeten duidelijk te onderscheiden zijn, wat hier mogelijk zou zijn door middel van de twee verschillende soorten skyrmionen.

Met behulp van de magnetische krachtmicroscoop, afzonderlijke delen van deze meerlagen werden met elkaar vergeleken. Hierdoor kon het team van Hug bepalen in welke lagen de verschillende skyrmionen voorkomen. Verder, micromagnetische computersimulaties bevestigden de experimentele resultaten. Deze simulaties zijn uitgevoerd in samenwerking met theoretici van de universiteiten van Wenen en Messina.

Empa-onderzoeker Andrada-Oana Mandru, de eerste auteur van de studie, is hoopvol dat een grote uitdaging voor praktische toepassingen is overwonnen:"De meerlagen die we hebben ontwikkeld met behulp van sputtertechnologie kunnen in principe ook op industriële schaal worden geproduceerd, "zei ze. Bovendien, soortgelijke systemen kunnen in de toekomst mogelijk worden gebruikt om driedimensionale gegevensopslagapparaten te bouwen met een nog grotere opslagdichtheid. Het team publiceerde onlangs hun werk in het gerenommeerde tijdschrift Natuurcommunicatie .

Racetrack geheugen

Het concept van zo'n geheugen is in 2004 ontworpen door IBM. Het bestaat uit het op één plaats schrijven van informatie door middel van magnetische domeinen, d.w.z. magnetisch uitgelijnde gebieden - en ze vervolgens snel binnen het apparaat te verplaatsen door middel van stromen. Eén bit komt overeen met zo'n magnetisch domein. Deze taak kan worden uitgevoerd door een skyrmion, bijvoorbeeld. Het dragermateriaal van deze magnetische informatie-eenheden zijn nanodraden, die meer dan duizend keer dunner zijn dan een mensenhaar en daarmee een uiterst compacte vorm van gegevensopslag beloven. Ook het transport van data langs de draden gaat extreem snel, ongeveer 100, 000 keer sneller dan in een conventioneel flashgeheugen en met een veel lager energieverbruik.