Kleine magnetische spiralen, skyrmionen genaamd, zouden kunnen worden gebruikt als energie-efficiënte gegevensdragers met ultrahoge dichtheid.

Jarvis Loh, Gan Chee Kwan en Khoo Khoong Hong van het Agentschap voor Wetenschap, Technologie en Onderzoek (A*STAR) Instituut voor High Performance Computing, Singapore, hebben deze minuscule spinspiralen gemodelleerd in nanoscopische kristallagen. Ze ontdekten dat afwisselende lagen van mangaansilicide (MnSi) en kobaltsilicide (CoSi) een veelbelovende materiaalarchitectuur vormen.

"Skyrmionen zijn entiteiten op nanoschaal, slechts tientallen nanometers, dus ze houden de belofte in van een hogere opslagdichtheid dan de huidige technologie, " zei Gan.

Opslag op basis van skyrmionen zou binaire gegevens, zoals '1's en '0's, weergeven als spinspiralen met de klok mee en tegen de klok in, respectievelijk. Skyrmionen kunnen de energie-efficiëntie verbeteren, omdat ze kunnen worden gemaakt en gemanipuleerd met stromen die aanzienlijk kleiner zijn dan die welke vereist zijn voor conventionele magnetische harde schijf-technologie.

Skyrmionen waren experimenteel waargenomen in mangaansilicide, wat het team ertoe aanzette om simulaties van mangaansilicide in zijn oorspronkelijke vorm en in combinatie met vergelijkbare materialen te onderzoeken.

Het team koos voor kobaltsilicide omdat kobalt dicht bij mangaan zit in het periodiek systeem, en zijn vergelijkbare roosterkenmerken betekenen dat het goed moet worden gecombineerd met mangaansilicide. Kobalt heeft ook sterke magnetische eigenschappen:het is ferromagnetisch.

De simulaties van het team toonden aan dat het koppelen van kobaltsilicide aan mangaansilicide het mogelijk maakt om de spinspiralen in mangaansilicide te ontwikkelen. "Wat interessant is, is dat we nu de grootte van skyrmionen op een gemakkelijke en elegante manier kunnen variëren, " zei Loh.

In het centrum van het skyrmion wordt de magnetische spin van de atomen 180 graden gedraaid ten opzichte van de spin aan de buitenrand; tussen de rand en het midden kantelen de spins geleidelijk tussen de twee uitersten. Van cruciaal belang voor de grootte van skyrmionen is het vermogen van het materiaal om een ​​hoge relatieve kanteling tussen naburige atomen in het rooster te ondersteunen, waardoor het skyrmion in een kleinere spiraal kan worden verpakt.

Het team ontdekte dat het toevoegen van kobaltsilicidelagen aan de mangaansilicidelagen de mogelijke relatieve kanteling verhoogde. Er is echter een bovengrens:voor kobaltsilicidelagen twee keer zo dik als het mangaansilicide, het materiaal stopte met het ondersteunen van skyrmionen en ging over naar een meer conventioneel ferromagnetisch gedrag.

Een van de aantrekkingskrachten van skyrmions als gegevensopslagmedium is hun robuustheid, zegt Loh. "In tegenstelling tot de huidige magnetische opslag, skyrmionen zijn bestand tegen defecten in het rooster. Ze zijn topologisch beschermd."

Het team is van plan hun succesvolle aanpak toe te passen op andere potentiële architecturen, zoals nanodraden.