De elektronische apparaten die we dagelijks gebruiken, worden aangedreven door elektrische stromen. Dit is het geval met onze woonkamerverlichting, wasmachines en televisies, om maar een paar voorbeelden te noemen. Gegevensverwerking in computers is ook afhankelijk van informatie die wordt geleverd door kleine ladingsdragers, elektronen genoemd.

Het vakgebied van de spintronica hanteert echter een ander concept. In plaats van de lading van elektronen is de spintronische benadering erop gericht om hun magnetisch moment, met andere woorden, hun spin, te benutten om informatie op te slaan en te verwerken, met als doel de computers van de toekomst compacter, sneller en duurzamer te maken.

Eén manier om informatie te verwerken op basis van deze benadering is het gebruik van magnetische wervelingen die skyrmionen worden genoemd, of, als alternatief, hun nog weinig begrepen en zeldzamere neven, genaamd 'merons'. Beide zijn collectieve topologische structuren gevormd uit talrijke individuele spins. Meronen zijn tot nu toe alleen waargenomen in natuurlijke antiferromagneten, waar ze moeilijk te analyseren en te manipuleren zijn.

Meronen vinden in synthetische antiferromagneten

In samenwerking met teams van de Tohoku Universiteit in Japan en de ALBA Synchrotron Light Facility in Spanje zijn onderzoekers van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) de eersten geweest die de aanwezigheid van meronen hebben aangetoond in synthetische antiferromagneten en dus in materialen die kunnen worden geproduceerd met behulp van standaard depositietechnieken. De resultaten van het huidige onderzoek zijn gepubliceerd in Nature Communications .

"We zijn erin geslaagd een nieuwe habitat te bedenken voor een nieuwe en zeer 'verlegen' soort", zegt dr. Robert Frömter, natuurkundige bij JGU. De onderzoeksprestatie omvat het ontwerpen van synthetische antiferromagneten op zo'n manier dat er meronen in worden gevormd en de detectie van de meronen zelf.

Om de overeenkomstige materialen uit meerdere lagen samen te stellen, voerden de onderzoekers uitgebreide simulaties uit en voerden ze analytische berekeningen uit van spinstructuren in samenwerking met een theoriegroep bij JGU. Het doel was om de optimale dikte van elke laag en het geschikte materiaal te bepalen om de huisvesting van meronen te vergemakkelijken en om de criteria voor hun stabiliteit te begrijpen.

Naast theoretisch werk voerde het team experimenten uit om deze uitdagingen aan te pakken. "Met behulp van magnetische krachtmicroscopie in combinatie met de minder bekende scanning-elektronenmicroscopie met polarisatieanalyse hebben we met succes meronen geïdentificeerd in onze synthetische antiferromagneten", legt Mona Bhukta uit, een promovendus aan het JGU's Institute of Physics. "We zijn er dus in geslaagd een stap voorwaarts te maken in de richting van de mogelijke toepassing van meronen."

Meer informatie: Mona Bhukta et al, Homochirale antiferromagnetische meronen, antimeronen en bimeronen gerealiseerd in synthetische antiferromagneten, Nature Communications (2024). DOI:10,1038/s41467-024-45375-z

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door Johannes Gutenberg Universiteit Mainz