Natuurkundigen op zoek naar een zelden geziene magnetische spintextuur hebben een ander object ontdekt dat zijn kenmerken draagt, verborgen in de structuur van ultradunne magnetische films, dat ze een onevenredig spinkristal hebben genoemd.

Een team van de Universiteit van Warwick rapporteert de bevindingen in het tijdschrift Natuurcommunicatie , die nieuwe mogelijkheden kunnen bieden voor technologieën zoals computergeheugen en opslag.

De onderzoekers gingen aanvankelijk op zoek naar een skyrmion, een wervelende magnetische spintextuur waarvan de theorie bestaat dat deze in het bijzonder magnetische materialen bestaat en die van groot belang zijn voor natuurkundigen vanwege hun unieke eigenschappen en potentieel voor een nieuwe generatie energie-efficiënte gegevensopslag. Om ze te vinden, wetenschappers zoeken naar abnormaal gedrag van het Hall-effect; hierdoor gaan elektronen die door een geleidend materiaal bewegen zich anders gedragen, gemeten als weerstand.

Om dit effect op te wekken, het team creëerde monsters door een extreem dunne film van een ferro-elektrisch materiaal te combineren, lood titanaat, met nog een dunne film van een ferromagneet, strontiumruthanaat. Deze lagen zijn atomair vlak, slechts vijf tot zes eenheidscellen (3 nanometer) dik.

De ferro-elektrische laag wekt een elektrisch veld op dat de atomaire structuur van de ferromagneet vervormt, het doorbreken van zijn symmetrie. Met behulp van atomaire precisie-elektronenmicroscopie, ze maten deze symmetriebreking, en waren ook in staat om de elektrische weerstand van het materiaal afzonderlijk te meten en de aanwezigheid van kenmerken te bevestigen die lijken op het Topologische Hall-effect, zoals zou worden verwacht voor een skyrmion.

Vervolgens gebruikten de onderzoekers magnetische krachtmicroscopie om de topologie van de atomaire structuur van het materiaal te onderzoeken, die een rooster vormden op basis van rechthoeken - geen zeshoeken, zoals ze zouden verwachten. Binnen dit rooster bevinden zich magnetische domeinen waar skyrmionen als individueel zouden worden gevonden, geïsoleerde deeltjes. In plaats daarvan, deze domeinen vormden meer als kralen aan een touwtje of ketting, met kralen die nooit helemaal een perfecte cirkel vormen.

Hoofdauteur Sam Seddon, een doctoraat student aan de afdeling Natuurkunde van de Universiteit van Warwick, zei:"Als je de beelden zorgvuldig hebt bekeken, jij realiseert, eigenlijk, dit presenteert helemaal niet als een skyrmion.

"Een skyrmion veroorzaakt zijn eigen gecompliceerde Hall-effect en wanneer vergelijkbare effecten worden waargenomen, wordt het vaak behandeld als een handtekening van het skyrmion. We hebben een zeer geordende domeinstructuur gevonden, net zoals een skyrmion-rooster zich zou vormen, ze zijn echter gewoon chiraal en niet topologisch beschermd. Wat dit laat zien met real-space imaging-bewijs is dat je geen topologisch domein nodig hebt om een ​​dergelijk Hall-effect te veroorzaken."

Ferro-elektrische en ferromagnetische materialen zijn belangrijk voor technologieën zoals computergeheugen en opslag. Bijvoorbeeld, materialen die sterk lijken op loodtitanaat worden vaak gebruikt voor het computergeheugen in de elektronische systemen in auto's, vanwege hun robuustheid en het vermogen om bij extreme temperaturen te werken.

Co-auteur professor Marin Alexe van de Universiteit van Warwick zei:"Er is interesse in dit soort interfaces tussen ferro-elektrische en ferromagneetmaterialen, zoals voor nieuwe typen computergeheugen. Omdat ferro-elektrische polarisatie permanent kan worden geschakeld, dit wijzigt een kwantumeffect in een ferromagneet en dat zou ons richting kunnen geven voor materialen voor de volgende kwantumcomputers. Deze hebben stabiele materialen nodig die werken bij extreme temperaturen, zijn een laag stroomverbruik, en kan informatie voor een lange tijd opslaan, dus alle ingrediënten zijn hier.

"Topologie is de vertaling van bepaalde wiskundige concepten naar het echte leven en vormt nu de kern van nieuwe ontdekkingen in de natuurkunde. Aan de Universiteit van Warwick hebben we een buitengewone en geavanceerde infrastructuur die ons in staat stelt een probleem vanuit theoretisch oogpunt aan te pakken, kijken naar de atomaire structuur, tot het onderzoeken van functionele eigenschappen bij extreme temperaturen en velden, vooral magnetische velden. We kunnen ingenieurs een basis bieden om nieuwe technologieën van te ontwikkelen."