Momenteel, kleine magnetische wervelingen - zogenaamde skyrmionen - worden besproken als veelbelovende kandidaten voor bits in toekomstige robuuste en compacte gegevensopslagapparaten. Aan de Universiteit van Hamburg is onlangs ontdekt dat deze exotische magnetische structuren bestaan ​​in ultradunne magnetische lagen en multilagen, vergelijkbaar met degene die worden gebruikt in de huidige harde schijven en magnetische sensoren. Echter, tot nu toe was een extra magneet nodig voor het uitlezen van skyrmionen. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Hamburg en de Christian-Albrechts-Universität in Kiel aangetoond dat skyrmionen veel gemakkelijker kunnen worden gedetecteerd vanwege een drastische verandering van de elektrische weerstand in deze magnetische wervelingen. Voor toekomstige concepten voor gegevensopslag belooft dit een aanzienlijke vereenvoudiging op het gebied van fabricage en bediening.

Stabiele wervelingen in magnetische materialen (zie figuur) werden meer dan 25 jaar geleden voorspeld, maar de experimentele realisatie werd pas onlangs bereikt. De ontdekking van dergelijke skyrmionen in dunne magnetische films en multilagen, al gebruikt in de technologie van vandaag, en de mogelijkheid om deze skyrmionen met zeer lage elektrische stroomdichtheden te verplaatsen, heeft het perspectief geopend om ze te gebruiken als bits in nieuwe apparaten voor gegevensopslag.

Tot nu toe werden individuele magnetische wervelingen gedetecteerd door elektronenmicroscopie of door de weerstandsverandering in een tunnelcontact met een magnetische sonde. Met behulp van een scanning tunneling microscoop konden onderzoekers van de Universiteit van Hamburg nu aantonen dat de weerstand ook verandert wanneer een niet-magnetisch metaal wordt gebruikt bij een dergelijke meting. 'In ons experiment kunnen we een metalen punt met precisie op atomaire schaal over een oppervlak bewegen, en zo kunnen we de weerstand meten op verschillende posities in een skyrmion' zegt Christian Hanneken, een PhD student in de groep van Prof. Roland Wiesendanger. Dit maakt het bewijs mogelijk voor de plaatselijk variërende weerstand binnen de magnetische werveling. 'We vonden een weerstandsverandering tot 100%, waardoor een eenvoudig detectieschema voor skyrmions mogelijk is', zoals Dr. Kirsten von Bergmann uitlegt.

In samenwerking met theoretisch natuurkundigen van de Universiteit van Kiel konden de onderzoekers de oorsprong van de weerstandsverandering in de magnetische werveling identificeren:het is te wijten aan de kanteling tussen de atomaire magneten van het ene atoom naar het andere (zie figuur). Hoe groter de hoek tussen de aangrenzende atomaire magneten, des te sterker is de verandering in elektrische weerstand. 'Elektronen hebben een spin, en dus interageren ze met magnetische structuren', zegt prof. Stefan Heinze van de Universiteit van Kiel. Wanneer de elektronen door een magnetische werveling reizen, ze voelen de kanteling tussen de atomaire magneten, wat leidt tot een lokale weerstandsverandering van het materiaal. 'We hebben dit effect kunnen begrijpen door uitgebreide numerieke computersimulaties van de elektronische eigenschappen uit te voeren en een eenvoudig model voor dit effect te hebben ontwikkeld', zoals promovendus Fabian Otte uitlegt.

In toekomstige toepassingen zou dit nieuw ontdekte effect kunnen worden benut om skyrmionische bits op een eenvoudige manier uit te lezen. De mogelijkheid om willekeurige metalen elektroden te gebruiken, vereenvoudigt de fabricage en werking van dergelijke nieuwe opslagapparaten aanzienlijk.