Magnetische wervelingen op nanoschaal, bekend als skyrmionen, kunnen zich vormen in bepaalde materialen, zoals dunne magnetische films. Deze kleine draaikolken worden samengepakt in dichte roosters die stabieler zijn dan conventionele magnetische domeinen en kunnen worden getransporteerd en gemanipuleerd met minimaal elektrisch vermogen - eigenschappen die veelbelovend zijn voor toekomstige toepassingen voor informatieopslag. Om skyrmions in dergelijke geheugentechnologieën te exploiteren, echter, wetenschappers hebben behoefte aan een dieper begrip van hun fundamentele eigenschappen.

Hyun Binnenkort-park, Toshiaki Tanigaki en collega's van het RIKEN Center for Emergent Matter Science, in samenwerking met industriële en academische onderzoekers uit heel Japan, hebben nu grote vooruitgang geboekt op dit gebied door de eerste driedimensionale analyse van skyrmion-roosters uit te voeren met behulp van een elektronenholografiemicroscoop.

Het door RIKEN geleide team heeft baanbrekende technieken ontwikkeld om skyrmionen in twee dimensies te bekijken met behulp van technieken zoals Lorentz-transmissie-elektronenmicroscopie. Echter, de magnetische structuur van skyrmionen - gedefinieerd door de oriëntatie van elektronenspins - is niet vlak, en in plaats daarvan omvat het een driedimensionale verdeling van spinoriëntaties om een ​​echte vortex te vormen. Het analyseren van deze structuur in kwantitatief detail is moeilijk omdat de kenmerken buiten de resolutielimiet van Lorentz-microscopie vallen en kunnen worden verdoezeld door de inherente ruwheid van het oppervlak van de film.

Elektronen holografie, een techniek voor het genereren van driedimensionale visualisaties van storende elektronengolven, kan worden gebruikt om magnetische structuren met ongekend detail op te lossen. Door samenwerking met de groep van wijlen Akira Tonomura - een voorvader van elektronenholografie - in Hitachi, Ltd, de onderzoekers construeerden een hoogspanningselektronenholografiemicroscoop met voldoende vermogen om de skyrmion-structuur op te lossen.

Met behulp van hun holografische microscoop, de onderzoekers beeldden de magnetische structuur van een dunne ijzer-kobalt-siliciumfilm af terwijl ze een magnetisch veld aanbrachten. Naarmate de intensiteit van het magnetische veld toenam, ze observeerden een verandering in de elektronenspin-rangschikking van een spiraalvormige structuur naar de wervelende skyrmion-structuur. De driedimensionale afbeeldingen onthulden dat de skyrmionen een duidelijke cilindrische vorm aannemen met een griezelig mooi interieurpatroon (figuur 1). Intrigerend, deze magnetische vortex schakelt van rechts- naar linkshandig als de richting van het aangelegde magnetische veld verandert.

Park merkt op dat van skyrmions met cilindrische spinconfiguraties kan worden verwacht dat ze een effectiever spinoverdrachtskoppel opleveren - een cruciale factor bij het transporteren van skyrmions voor gegevensopslagtoepassingen. Hij is er ook van overtuigd dat hoogspanningselektronenholografie een enorm potentieel heeft om veel van de onzekerheden in verband met spintronische apparaten op te lossen. "Het zien van complexe magnetische structuren met hoge precisie of in drie dimensies is de sleutel tot het begrijpen van deze systemen, " merkt hij op.