Het is een bekend fenomeen:als een tol wordt gestoten of in rotatie wordt gebracht op een hellend oppervlak, het beweegt meestal niet in een rechte lijn, maar in plaats daarvan schrijft hij een reeks kleine bogen. Onderzoekers van de Technische Universität Berlin en de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) zijn er nu samen met onderzoeksteams uit Nederland en Zwitserland in geslaagd om dit bewegingspatroon vast te leggen en vast te leggen in een magnetisch dunnefilmsysteem - in de vorm van kleine magnetische nanovortices. Daarbij, deden de onderzoekers een nieuwe ontdekking:de nanovortices bezitten massa. Het artikel wordt gepubliceerd in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica .

"Met behulp van magnetische velden, we kunnen selectief de magnetische nanovortices creëren, geef ze dan een duw zodat ze uit hun evenwichtspositie worden afgebogen", legt Dr. Felix Büttner uit, die dit onderzoek voortzette als zijn Ph.D. projecteren. "We konden toen heel precies volgen hoe deze skyrmionen, zoals deze speciale nanovortices worden genoemd, terugkeren naar hun rustpositie", Büttner legt het verder uit. De wervels worden gevormd in een magnetisch systeem van dunne film multilagen, waar afwisselende lagen bestaande uit een kobalt-boorlegering en platina op elkaar worden gestapeld. Elke afzonderlijke laag is minder dan een nanometer dik. Door deze opstelling kunnen de onderzoekers heel specifiek de magnetische eigenschappen van het systeem afstemmen, waardoor de skyrmions kunnen bestaan. De diameter van deze magnetische wervels is niet meer dan 100 nanometer. Dat is ongeveer 1/1000ste van de diameter van een mensenhaar.

Dankzij speciale technieken konden de onderzoekers de bewegingen van de skyrmionen volgen met een precisie van beter dan enkele nanometers in individuele tijdstappen die minder dan een nanoseconde uit elkaar liggen. Dit werd mogelijk gemaakt door holografische opnametechnieken met behulp van intense röntgenpulsen van de BESSY II-synchrotronbron in Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Deze holografische opnametechnieken zijn gedurende een aantal jaren ontwikkeld en verbeterd door de onderzoeksgroep "Nanometer Optics and X-ray Scattering" van de TU Berlijn in samenwerking met HZB, een gezamenlijke inspanning onder leiding van Prof. Stefan Eisebitt van de TU Berlijn.

Wat Büttner en zijn collega's in de röntgenhologrammen zagen, was opmerkelijk:"Vergelijkbaar met het stoten van een tol, de nanovortex beweegt niet in een rechte lijn, maar in plaats daarvan langs een spiraalvormig traject", legt Büttner uit. "Door onze metingen te vergelijken met modelberekeningen, we hebben kunnen vaststellen dat deze spiraalvormige beweging alleen kan worden verklaard als het skyrmion massa heeft."

Dit is een belangrijke ontdekking, aangezien de hier waargenomen nanovortices slechts één speciaal type skyrmion vertegenwoordigen dat in de natuur voorkomt. "Vroeger, skyrmions werden vaak beschreven als massaloos", legt Christoforos Moutafis van het Paul Scherrer Instituut uit, die zich al lang bezighoudt met de theoretische beschrijving van dit soort structuren. Nutsvoorzieningen, de toepassing van het begrip massa op dergelijke deeltjes, zoals vastgesteld door dit werk, zal ook bijdragen aan het begrip van andere soorten skyrmionen, zoals de onderzoekers aangeven in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Natuurfysica .

Er kunnen ook tastbare toepassingen zijn voor deze magnetische nanovortices in dunne magnetische lagen - ze worden vandaag al besproken als een alternatief informatiemedium bij gegevensverwerking en -opslag. Onderzoekers vermoeden dat vanwege hun "skyrmion-eigenschap", dergelijke bits (informatie-eenheden) kunnen dichter worden opgeslagen en betrouwbaarder worden overgedragen dan nu het geval is. De nieuwe inzichten in het gedrag van skyrmion kunnen bijdragen aan het realiseren van dit soort nieuwe concepten voor informatieverwerking.