Een decennium geleden, de ontdekking van quasideeltjes die magnetische skyrmionen worden genoemd, leverde belangrijke nieuwe aanwijzingen op over hoe microscopische spintexturen spintronica mogelijk maken, een nieuwe klasse van elektronica die de oriëntatie van de spin van een elektron gebruikt in plaats van de lading om gegevens te coderen.

Maar hoewel wetenschappers grote vooruitgang hebben geboekt op dit zeer jonge gebied, ze begrijpen nog steeds niet helemaal hoe ze spintronica-materialen moeten ontwerpen die ultrakleine, ultrasnel, apparaten met een laag vermogen. Skyrmions lijkt misschien veelbelovend, maar wetenschappers hebben skyrmionen lange tijd als slechts 2D-objecten behandeld. Recent onderzoek, echter, hebben gesuggereerd dat 2D-skyrmionen eigenlijk het ontstaan ​​​​van een 3D-spinpatroon genaamd hopfions zouden kunnen zijn. Maar niemand had experimenteel kunnen bewijzen dat magnetische hopfionen op nanoschaal bestaan.

Nutsvoorzieningen, heeft een team van onderzoekers onder leiding van Berkeley Lab gerapporteerd in Natuurcommunicatie de eerste demonstratie en observatie van 3D-hopfions die tevoorschijn komen uit skyrmionen op nanoschaal (miljardsten van een meter) in een magnetisch systeem. De onderzoekers zeggen dat hun ontdekking een grote stap voorwaarts betekent in het realiseren van high-density, hoge snelheid, laag vermogen, maar ultrastabiele magnetische geheugenapparaten die gebruikmaken van de intrinsieke kracht van elektronenspin.

"We hebben niet alleen bewezen dat complexe spintexturen zoals 3D-hopfions bestaan, we hebben ook laten zien hoe we ze kunnen bestuderen en gebruiken, " zei co-senior auteur Peter Fischer, een senior wetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, die ook een adjunct-professor in de natuurkunde is aan UC Santa Cruz. "Om te begrijpen hoe hopfies echt werken, we moeten weten hoe we ze moeten maken en bestuderen. Dit werk was alleen mogelijk omdat we deze geweldige tools hebben bij Berkeley Lab en onze samenwerkingsverbanden met wetenschappers over de hele wereld, " hij zei.

Volgens eerdere studies, hopfies, in tegenstelling tot skyrmions, drijven niet af wanneer ze langs een apparaat bewegen en zijn daarom uitstekende kandidaten voor datatechnologieën. Verder, Theoriemedewerkers in het Verenigd Koninkrijk hadden voorspeld dat hopfions zouden kunnen voortkomen uit een meerlagig 2D magnetisch systeem.

De huidige studie is de eerste die deze theorieën test, aldus Fischer.

Met behulp van nanofabricagetools in de Molecular Foundry van Berkeley Lab, Noah Kent, een doctoraat student natuurkunde aan UC Santa Cruz en in de groep van Fischer aan Berkeley Lab, werkte met medewerkers van Molecular Foundry om magnetische nanopilaren uit lagen iridium te halen, kobalt, en platina.

De meerlagige materialen werden voorbereid door UC Berkeley postdoctoraal onderzoeker Neal Reynolds onder toezicht van co-senior auteur Frances Hellman, die titels heeft van senior faculteitswetenschapper in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab, en hoogleraar natuurkunde en materiaalkunde en techniek aan UC Berkeley. Ze leidt ook het Non-Equilibrium Magnetic Materials (NEMM)-programma van het Department of Energy, die deze studie ondersteunden.

Het is bekend dat hopfionen en skyrmionen naast elkaar bestaan ​​in magnetische materialen, maar ze hebben een karakteristiek spinpatroon in drie dimensies. Dus, om ze uit elkaar te houden, de onderzoekers gebruikten een combinatie van twee geavanceerde magnetische röntgenmicroscopietechnieken - X-PEEM (röntgenfoto-emissie-elektronenmicroscopie) in de synchrotron-gebruikersfaciliteit van Berkeley Lab, de geavanceerde lichtbron; en magnetische zachte röntgentransmissiemicroscopie (MTXM) bij ALBA, een synchrotron-lichtfaciliteit in Barcelona, Spanje - om de verschillende draaipatronen van hopfions en skyrmions in beeld te brengen.

Om hun waarnemingen te bevestigen, de onderzoekers voerden vervolgens gedetailleerde simulaties uit om na te bootsen hoe 2D-skyrmions in een magnetisch apparaat evolueren naar 3D-hopfions in zorgvuldig ontworpen meerlaagse structuren, en hoe deze eruit zullen zien wanneer ze worden afgebeeld met gepolariseerd röntgenlicht.

"Simulaties zijn een enorm belangrijk onderdeel van dit proces, waardoor we de experimentele beelden kunnen begrijpen en structuren kunnen ontwerpen die hopfions ondersteunen, skyrmions, of andere ontworpen 3D-spinstructuren, ' zei Helleman.

Om te begrijpen hoe hopfions uiteindelijk in een apparaat zullen functioneren, de onderzoekers zijn van plan om Berkeley Lab's unieke capaciteiten en onderzoeksfaciliteiten van wereldklasse te gebruiken - die Fischer beschrijft als "essentieel voor het uitvoeren van dergelijk interdisciplinair werk" - om het dynamische gedrag van de quixotische quasideeltjes verder te bestuderen.

"We weten al heel lang dat spintexturen bijna onvermijdelijk driedimensionaal zijn, zelfs in relatief dunne films, maar directe beeldvorming was experimenteel uitdagend, " zei Hellman. "Het bewijs hier is opwindend, en het opent deuren naar het vinden en verkennen van nog meer exotische en potentieel significante 3D-spinstructuren."