Wetenschappers weten al heel lang dat magnetisme wordt gecreëerd door de spins van elektronen die op een bepaalde manier in een rij staan. Maar ongeveer tien jaar geleden ontdekten ze nog een verbazingwekkende laag van complexiteit in magnetische materialen:onder de juiste omstandigheden kunnen deze spins kleine draaikolken of draaikolken vormen die zich als deeltjes gedragen en onafhankelijk van de atomen die ze hebben voortgebracht bewegen.

De kleine draaikolken worden skyrmionen genoemd, genoemd naar Tony Skyrme, de Britse natuurkundige die hun bestaan ​​in 1962 voorspelde. Hun kleine formaat en stevige aard - zoals knopen die moeilijk ongedaan te maken zijn - hebben geleid tot een snel groeiend veld dat zich toelegt op het beter begrijpen van hen en het exploiteren van hun vreemde eigenschappen.

"Deze objecten vertegenwoordigen enkele van de meest geavanceerde vormen van magnetische orde die we kennen", zegt Josh Turner, een stafwetenschapper bij het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en hoofdonderzoeker bij het Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) bij SLAC.

"Wanneer skyrmions zich vormen," zei hij, "gebeurt het allemaal tegelijk, door het hele materiaal heen. Wat nog interessanter is, is dat de skyrmions rondbewegen alsof het individuele, onafhankelijke deeltjes zijn. Het is als een dans waarbij alle spins communiceren met elkaar en bewegen tegelijk om de beweging van de skyrmionen te beheersen, en ondertussen zitten de atomen in het rooster eronder gewoon daar."

Omdat ze zo stabiel en zo klein zijn - ongeveer 1000 keer zo groot als een atoom - en gemakkelijk kunnen worden verplaatst door kleine elektrische stroompjes toe te passen, zei hij:"Er zijn veel ideeën over hoe ze kunnen worden gebruikt voor nieuwe soorten computers en geheugenopslag technologieën die kleiner zijn en minder energie verbruiken."

Het meest interessant voor Turner is echter de fundamentele fysica achter hoe skyrmionen zich vormen en zich gedragen. Hij en collega's van het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE en de University of California, San Diego hebben methoden ontwikkeld om de activiteiten van skyrmionen in hun natuurlijke, ongestoorde staat met ongekend detail vast te leggen met behulp van SLAC's röntgenvrije-elektronenlaser, de Linac Coherent Light Bron (LCLS). Het stelt hen in staat om details op nanoschaal te meten - zo klein als een miljoenste van een inch - en veranderingen te observeren die plaatsvinden in miljardsten van een seconde.

In een reeks recente artikelen beschrijven ze experimenten die suggereren dat skyrmionen een glasachtige fase kunnen vormen waarin hun bewegingen zo traag zijn dat het lijkt alsof ze vastzitten, zoals auto's in een file. Verder maten ze hoe de natuurlijke beweging van skyrmions ten opzichte van elkaar kan oscilleren en veranderen als reactie op een aangelegd magnetisch veld, en ontdekten dat deze inherente beweging nooit helemaal lijkt te stoppen. Deze altijd aanwezige fluctuatie, zei Turner, geeft aan dat skyrmionen veel gemeen kunnen hebben met supergeleiders bij hoge temperatuur - kwantummaterialen waarvan het vermogen om elektriciteit zonder verlies te geleiden bij relatief hoge temperaturen gerelateerd kan zijn aan fluctuerende strepen van elektronenspin en lading.

Het onderzoeksteam was in staat om skyrmion-fluctuaties waar te nemen in een dunne magnetische film gemaakt van vele afwisselende lagen ijzer en gadolinium door snapshots te maken met de LCLS-röntgenlaserstraal op slechts 350 biljoenste van een seconde uit elkaar. Ze zeggen dat hun methode kan worden gebruikt om de fysica van een breed scala aan materialen te bestuderen, evenals hun topologie - een wiskundig concept dat beschrijft hoe de vorm van een object kan vervormen zonder de eigenschappen ervan fundamenteel te veranderen. In het geval van skyrmionen is de topologie wat ze hun robuuste karakter geeft, waardoor ze moeilijk te vernietigen zijn.

"Ik denk dat deze techniek zal groeien en zeer krachtig zal worden in de fysica van de gecondenseerde materie, omdat er niet zoveel directe manieren zijn om deze fluctuaties in de loop van de tijd te meten", zegt Sujoy Roy, een stafwetenschapper bij de Advanced Light Source van Berkeley Lab. "Er zijn enorm veel studies die gedaan kunnen worden naar zaken als supergeleiders, complexe oxiden en magnetische interfaces."

Sergio Montoya, een wetenschapper bij het Center for Memory and Recording Research van UC San Diego, die het materiaal dat in dit onderzoek is gebruikt, heeft ontworpen en vervaardigd, voegde toe:"Dit soort informatie is belangrijk wanneer u grootschalige elektronica ontwikkelt en moet zien hoe ze gedragen door het hele materiaal, niet alleen op een klein plekje."

Snelle snapshots van veranderingen op atomaire schaal

Montoya begon rond 2013 met het bestuderen van de ijzer-gadoliniumfilm. Destijds was al bekend dat skyrmion-roosters konden worden gevormd wanneer magnetische velden op bepaalde magneten werden toegepast, en er waren sterke onderzoeksinspanningen om nieuwe materialen te ontdekken die skyrmionen bij kamertemperatuur kunnen bevatten . Montoya heeft de gelaagde materialen zorgvuldig gemaakt en de groeiomstandigheden aangepast om de eigenschappen van het skyrmion-rooster af te stemmen - "het ontwerp en de afstemming van het materiaal spelen een grote rol in studies als deze", zei hij - en werkte samen met Roy om ze te onderzoeken met Röntgenstralen van de geavanceerde lichtbron.

Ondertussen ontwikkelden Turner en zijn team bij LCLS een nieuwe tool die vergelijkbaar is met een camera voor het maken van snapshots van fluctuaties op atomaire schaal met extreem korte sluitertijden. Twee röntgenlaserpulsen, elk slechts een miljoenste van een miljardste van een seconde lang, raken een monster van een miljoenste tot miljardste van een seconde uit elkaar. De röntgenstralen vliegen in een detector en vormen "spikkelpatronen", elk zo uniek als een vingerafdruk, die subtiele veranderingen in de complexe structuur van het materiaal onthullen.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."