Hopfions, magnetische spinstructuren die tientallen jaren geleden werden voorspeld, zijn de afgelopen jaren een populair en uitdagend onderzoeksonderwerp geworden. In een onderzoek gepubliceerd in Nature , wordt het eerste experimentele bewijs gepresenteerd door een Zweeds-Duits-Chinese onderzoekssamenwerking.

"Onze resultaten zijn belangrijk vanuit zowel een fundamenteel als een toegepast gezichtspunt, omdat er een nieuwe brug is ontstaan ​​tussen de experimentele natuurkunde en de abstracte wiskundige theorie, die er mogelijk toe kan leiden dat hopfions een toepassing vinden in de spintronica", zegt Philipp Rybakov, onderzoeker bij de afdeling Natuurkunde. en astronomie aan de Universiteit van Uppsala, Zweden.

Een dieper begrip van hoe verschillende componenten van materialen functioneren is belangrijk voor de ontwikkeling van innovatieve materialen en toekomstige technologie. Het onderzoeksgebied van de spintronica bijvoorbeeld, dat de spin van elektronen bestudeert, heeft veelbelovende mogelijkheden geopend om de elektriciteit en het magnetisme van de elektronen te combineren voor toepassingen zoals nieuwe elektronica.

Magnetische skyrmionen en hopfionen zijn topologische structuren:goed gelokaliseerde veldconfiguraties die de afgelopen tien jaar een veelbesproken onderzoeksonderwerp zijn geweest vanwege hun unieke deeltjesachtige eigenschappen, waardoor ze veelbelovende objecten zijn voor spintronische toepassingen.

Skyrmionen zijn tweedimensionaal en lijken op vortexachtige snaren, terwijl hopfions driedimensionale structuren zijn binnen een magnetisch monstervolume dat lijkt op gesloten, gedraaide skyrmion-snaren in de vorm van een donutvormige ring in het eenvoudigste geval.

Ondanks uitgebreid onderzoek in de afgelopen jaren is directe observatie van magnetische hopfionen alleen gerapporteerd in synthetisch materiaal. Dit huidige werk is het eerste experimentele bewijs dat dergelijke toestanden zijn gestabiliseerd in een kristal van FeGe-platen van het B20-type met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie en holografie.

De resultaten zijn zeer reproduceerbaar en komen volledig overeen met micromagnetische simulaties. De onderzoekers zorgen voor een uniforme skyrmion-hopfion-homotopieclassificatie en bieden inzicht in de diversiteit van topologische solitonen in driedimensionale chirale magneten.

De bevindingen openen nieuwe velden in de experimentele natuurkunde:het identificeren van andere kristallen waarin hopfionen stabiel zijn, het bestuderen van de interactie van hopfionen met elektrische en spinstromen, de dynamiek van hopfionen en meer.

‘Aangezien het object nieuw is en veel van zijn interessante eigenschappen nog ontdekt moeten worden, is het moeilijk om voorspellingen te doen over specifieke spintronische toepassingen. We kunnen echter speculeren dat hopfions van het grootste belang kunnen zijn bij het upgraden naar de derde dimensie van vrijwel elke technologie. wordt ontwikkeld met magnetische skyrmionen:racetrackgeheugen, neuromorfe computing en qubits", legt Rybakov uit.

"Vergeleken met skyrmions hebben hopfions een extra mate van vrijheid vanwege de driedimensionaliteit en kunnen ze zich dus in drie dimensies bewegen in plaats van in twee dimensies."

Meer informatie: Nikolai Kiselev, Hopfion-ringen in een kubieke chirale magneet, Natuur (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06658-5. www.nature.com/articles/s41586-023-06658-5

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door de Universiteit van Uppsala