Wervelende objecten die bekend staan ​​als magnetische wervels en skyrmionen kunnen worden geminiaturiseerd zonder in te boeten aan mobiliteit, heeft een door KAUST geleid internationaal onderzoeksteam gevonden. Deze bevindingen zijn relevant voor toekomstige "race-track" geheugentechnologieën met enorme dichtheden van beweegbare magnetische bits.

In nanometer dunne magnetische films, zoals ijzer-nikkellegeringen, het gebied dat twee magnetische domeinen of defecten scheidt, kan kleine draaikolkachtige patronen aannemen. Sommige van deze patronen, genaamd skyrmions, bestand zijn tegen ontrafelen, zelfs als ze stevig op elkaar zijn gepakt, en ze kunnen ook worden gericht met kleine elektrische stroompjes. Deze kenmerken hebben de skyrmions aantrekkelijke doelwitten gemaakt voor onderzoek naar geheugenapparaten met hoge capaciteit. Eén concept ritst skyrmions rond een lus en vervolgens langs een stationaire lees-/schrijfkop om de noodzaak voor mechanische componenten die in de huidige harde schijven worden gebruikt te elimineren.

Aurelien Manchon, een universitair hoofddocent materiaalkunde en engineering aan de universiteit, merkt op dat een van de belangrijkste redenen voor de aantrekkingskracht van skyrmionen hun vermogen is om defecten of ongelijke plekken in dunne films te voorkomen die normaal gesproken een magnetische lading zouden vasthouden of "vastzetten". Echter, deze behendigheid komt in gevaar wanneer onderzoekers skyrmions proberen te verkleinen tot de kleinst mogelijke grootte - hoe kleiner ze worden, hoe groter de kans dat ze vast komen te zitten vanwege de relatieve toename van de afmetingen van de defectlocatie.

Om deze apparaten te verbeteren, Manchon en internationale medewerkers probeerden de fundamentele impulsoverdracht tussen laadstromen en magnetische draaikolken te begrijpen.

Met behulp van intense röntgenstralen die zijn gegenereerd door de geavanceerde lichtbron van Berkeley University, het team legde in de tijd opgeloste beelden vast van draaikolkpatronen, magnetische vortices genaamd, terwijl ze langs een nanometer-brede halve ringbaan draaiden. Door de positie van de vortexkern uit de beeldvormingsreeks te bepalen, ze verkregen nauwkeurige gegevens over een parameter, bekend als het niet-adiabatische spin-overdrachtskoppel, wat cruciaal is voor elektrische manipulaties.

Verrassend genoeg, het gemeten niet-adiabatische koppel was veel groter dan de waarden voorspeld door bestaande modellen. Om deze discrepantie te verklaren, een theoretische analyse door Manchon toonde aan dat de extra verdraaiing werd geleverd door een andere kracht - het opkomende Hall-effect, die optreedt wanneer elektronen door een magnetische draaikolk reizen.

"In een notendop, elektronen ervaren een kracht die hen zijwaarts duwt, maar het komt niet van de lokale magnetisatie zelf; in plaats daarvan komt het voort uit de topologie van de magnetische textuur, " legde Manchon uit. "Dit effect produceert een extra spin-gepolariseerde stroom die een koppel uitoefent op de draaikolk."

De onderzoekers ontdekten dat het extra niet-adiabatische koppel toeneemt wanneer de grootte van de draaikolk wordt verkleind - een drijvende kracht die een manier kan bieden om het vastzetten van defecten op nanoschaal te verhelpen. "Dit kan een interessant compromis zijn om te zoeken, vooral in de context van op skyrmion gebaseerde gegevensopslag, ", voegde Manchon eraan toe.