Wanneer onderzoekers met een optische Kerr-microscoop inzoomen op dunne films van magnetisch materiaal, zien ze onder de juiste omstandigheden een soort magnetische orkaan op microschaal. Natuurkundigen noemen deze wervelwindachtige magnetische structuren skyrmions. Het idee is om dit fenomeen te gebruiken voor apparaten voor gegevensopslag of -verwerking. Voor die toepassingen moet de beweging van de mini-wervelwinden, die zelf fungeren als op zichzelf staande deeltjes of zogenaamde quasi-deeltjes, worden benut.

De skyrmionen kunnen zowel door temperatuureffecten als door elektrische stromen bewegen. Terwijl voor bepaalde toepassingen krachtigere "duwen" nodig zijn, is de willekeurige thermische beweging wenselijk voor andere, zoals bij niet-conventioneel computergebruik.

Vastzetten:wanneer skyrmions de 'obstakelbaan' ontmoeten

De nanometerdunne materiaalfilms waarin skyrmionen kunnen worden waargenomen, zijn nooit perfect. Als gevolg hiervan kunnen deze kleine magnetische wervelwinden vast komen te zitten - een effect dat bekend staat als vastzetten. In de meeste gevallen raken ze zo verstrikt dat ze niet kunnen ontsnappen. Het is alsof je een balletje probeert te rollen op het oppervlak van een oude tafel die bedekt is met krassen en groeven. Zijn pad zal worden afgebogen en als er een inkeping is die groot genoeg is, komt de bal gewoon vast te zitten. Wanneer skyrmionen op deze manier vast komen te zitten, vormt dit een uitdaging, vooral met betrekking tot toepassingen die afhankelijk zijn van de thermische beweging van de quasi-deeltjes. Pinning kan leiden tot een volledige stilstand van deze beweging.

De basisprincipes van pinnen begrijpen

"Ik heb een Kerr-microscoop gebruikt om skyrmions van slechts een micrometer groot te bestuderen - of, om preciezer te zijn, hun pinning-gedrag", zegt Raphael Gruber, een promovendus en lid van het onderzoeksteam van professor Mathias Kläui aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). Er zijn al een aantal theorieën over hoe het effect ontstaat. De meeste van hen concentreren zich op het kijken naar skyrmions als geheel; met andere woorden, ze concentreren zich op de beweging van hun centra. Er zijn zelfs een paar experimentele studies geweest, maar in de aanwezigheid van sterke spelden waar de skyrmionen helemaal niet kunnen bewegen.

"Mijn onderzoeken zijn gebaseerd op zwakke pinning, waardoor de skyrmions een beetje kunnen bewegen en blijven springen totdat ze ergens anders worden ingehaald," legde Gruber uit. Zijn resultaten leveren interessante nieuwe inzichten op. "Skyrmionen vallen niet als ballen in een gat", zei de experimentele natuurkundige. "Wat er gebeurt, is dat het aan iets aan het oppervlak blijft plakken." De bijbehorende bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in Nature Communications .

Professor Mathias Kläui, hoofd van de onderzoeksgroep, is ook verheugd over de nieuwe bevindingen, die het resultaat zijn van jarenlange samenwerking met groepen uit de theoretische natuurkunde:"Onder auspiciën van het Skyrmionics Priority Program, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting en de Spin+X Collaborative Research Center hebben we de dynamiek van spinstructuren onderzocht samen met onze collega's die werkzaam zijn op het gebied van theoretische fysica. Ik ben verheugd te kunnen zeggen dat deze zeer productieve samenwerking, vooral ook tussen postdoctorale studenten in de betrokken groepen, deze fascinerende resultaten heeft opgeleverd ."

Dr. Peter Virnau, hoofd van een theoretische natuurkundegroep in Mainz, zei:"Skyrmionen zijn een relatief nieuw aspect in mijn onderzoek... Ik ben blij dat onze numerieke methoden kunnen bijdragen aan een beter begrip van de experimentele gegevens." + Verder verkennen

Magnetische wervelingen in kleine ruimtes