In een experiment dat de ontwikkeling van nieuwe spintronica-apparaten met een laag energieverbruik zou kunnen helpen, hebben onderzoekers van RIKEN en medewerkers hitte en magnetische velden gebruikt om transformaties te creëren tussen spintexturen – magnetische wervelingen en antivortices bekend als skyrmionen en antiskyrmionen – in een enkel kristaldunne structuur. plaat apparaat. Belangrijk is dat ze dit bij kamertemperatuur bereikten.

Skyrmionen en antiskyrmionen, texturen die voorkomen in speciale magnetische materialen waarbij de spin van de elektronen in het materiaal betrokken is, vormen een actief onderzoeksgebied, omdat ze bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt voor geheugenapparaten van de volgende generatie, waarbij skyrmionen als een soort geheugenapparaat fungeren. "1" bit en antiskyrmionen een "0" bit.

In het verleden zijn wetenschappers erin geslaagd ze op verschillende manieren te verplaatsen en met behulp van elektrische stroom transformaties daartussen te creëren. Omdat de huidige elektronische apparaten echter elektrische stroom verbruiken en afvalwarmte produceren, besloten de onderzoekers in de groep, onder leiding van Xiuzhen Yu van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, om te kijken of ze een manier konden vinden om de transformaties te creëren met behulp van warmtegradiënten.

Volgens Yu:"Aangezien ongeveer tweederde van de energie die wordt geproduceerd door energiecentrales, auto's, verbrandingsovens en fabrieken wordt verspild als warmte, dachten we dat het belangrijk zou zijn om te proberen transformaties te creëren tussen skyrmionen en antiskyrimionen - wat eerder is gedaan met behulp van elektrische stroom – met behulp van warmte."

Om het onderzoek uit te voeren, nu gepubliceerd in Nature Communications , gebruikten de onderzoekers een gefocusseerde ionenbundel – een uiterst nauwkeurig fabricagesysteem – om een ​​microapparaat te maken van de bulk-monokristalmagneet (Fe_0.63 Ni_0,3 Pd_0,07 )₃ P, samengesteld uit ijzer-, nikkel-, palladium- en fosforatomen, en vervolgens gebruik gemaakt van Lorentz-scanmicroscopie, een geavanceerde methode om de magnetische eigenschappen van materialen op zeer kleine schaal te onderzoeken.

Wat ze ontdekten is dat wanneer tegelijkertijd met een magnetisch veld een temperatuurgradiënt op het kristal werd toegepast, de antiskyrmionen daarin bij kamertemperatuur eerst in niet-topologische bellen transformeerden – een soort overgangstoestand tussen skyrmionen en antiskyrmionen – en vervolgens in skyrmionen. , naarmate de temperatuurgradiënt groter werd. Ze bleven daarna in een stabiele configuratie als skyrmionen, zelfs als de thermische gradiënt geëlimineerd was.

Dit was een bevinding die consistent was met de theoretische verwachtingen, maar een tweede bevinding verraste de groep. Volgens Fehmi Sami Yasin, een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Yu:"We waren verrast toen we ontdekten dat wanneer het magnetische veld niet werd toegepast, de thermische gradiënt leidde tot een transformatie van skyrmionen naar antiskyrmionen, die ook stabiel bleven in het materiaal."

‘Wat hier heel spannend aan is’, vervolgt hij, ‘is dat dit betekent dat we een thermische gradiënt kunnen gebruiken – feitelijk met behulp van restwarmte – om een ​​transformatie tussen skyrmionen en antiskyrmionen te bewerkstelligen, afhankelijk van of er een magnetisch veld wordt toegepast of niet. Het is bijzonder belangrijk dat we dit bij kamertemperatuur konden doen. Dit zou de weg kunnen openen naar een nieuw type informatieopslagapparatuur, zoals niet-vluchtige geheugenapparaten die gebruik maken van afvalwarmte."

Volgens Yu:"We zijn erg enthousiast over zijn bevindingen en zijn van plan ons werk voort te zetten om skyrmionen en antiskyrmionen op nieuwe en efficiëntere manieren te manipuleren, inclusief de thermische controle van antiskyrmionbewegingen, met als doel echte thermospintronische en andere spintronische apparaten te bouwen die in ons dagelijks leven kunnen worden gebruikt. Om betere apparaten te maken, moeten we verschillende apparaatontwerpen en -geometrieën grondig onderzoeken."

Meer informatie: Fehmi Sami Yasin et al, Warmtestroomgestuurde topologische spintextuurtransformaties en spiraalvormige q-vectorschakelingen, Natuurcommunicatie (2023). DOI:10.1038/s41467-023-42846-7

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Aangeboden door RIKEN