Magnetische nanovortices, zogenaamde "skyrmions", behoren tot de meest veelbelovende kandidaten voor de toekomst van de informatietechnologie. Processors en opslagmedia die gebruik maken van deze kleine structuren zouden op een dag kunnen leiden tot de verdere miniaturisering van IT-apparaten en hun energie-efficiëntie aanzienlijk verbeteren. Materialen met geschikte wervels kunnen met name worden geïdentificeerd aan de hand van hun topologische lading, een essentieel kenmerk van skyrmions. Het experimenteel vaststellen van deze eigenschap is tot nu toe een zeer arbeidsintensief proces geweest. Natuurkundigen uit Jülich hebben nu een eenvoudigere methode voorgesteld die de screening van geschikte materialen zou kunnen versnellen, röntgenstraling gebruiken.

Het magnetische moment van een atoom heeft twee bijdragen, het spingedeelte, die voortvloeit uit de uitlijning van het intrinsieke spin-impulsmoment van de elektronen, en het orbitale deel, gerelateerd aan de gecoördineerde orbitale beweging van de elektronen. De eerste is de dominante bron van het magnetische moment van de atomen in een vaste, terwijl de laatste meestal wordt gevonden wanneer spin-baankoppeling actief is. Echter, een paar jaar geleden werd ontdekt dat - zelfs zonder spin-baankoppeling - een orbitaal moment eindig kan zijn. Om dat te laten gebeuren, minimaal drie magnetische atomen moeten worden gecombineerd, het vormen van een trimeer met een niet-collineaire en niet-planaire magnetische structuur.

Een team van theoretische fysici van het Jülich Instituut "Quantum Theory of Materials" (PGI-1/IAS-1) heeft nu het effect in detail geanalyseerd voor dergelijke magnetische trimeren, en onderzocht de gevolgen voor skyrmionen. De wetenschappers stellen een protocol voor om deze bijdrage aan het orbitale magnetisme te onderzoeken, en bovendien, hoe het te gebruiken om verschillende soorten skyrmionen te detecteren en te onderscheiden. "Een van de belangrijkste grootheden die het skyrmion karakteriseren, is de topologische lading, ook bekend als het 'skyrmiongetal'", legt Dr. Manuel dos Santos Dias uit, Postdoc in de Young Investigators Group van het instituut "Functional Nanoscale Structure Probe and Simulation Laboratory" (Funsilab). "Een directe meting van de topologische lading was moeilijk, omdat het een gedetailleerde kaart vereist van de driedimensionale magnetische structuur of het vinden van bepaalde handtekeningen in transportexperimenten. Daarom, er zijn slechts zeer weinig experimenten uitgevoerd. Skyrmionen met een rijkere interne structuur hebben onlangs ook de aandacht getrokken, en ons voorgestelde protocol maakt natuurlijk zijn experimentele bepaling mogelijk."

juni-Prof. Samir Lounis, hoofd van Funsilab, voegt toe:"We stellen een spectroscopische benadering voor met behulp van magnetisch circulair dichroïsme met röntgenstralen om deze hoeveelheid snel en efficiënt te meten. De techniek zou kunnen worden geïmplementeerd op elke synchrotron die het zachte röntgenregime dekt."