Kleine magnetische vortexstructuren, zogenaamde skyrmions, er wordt al geruime tijd intensief onderzoek gedaan naar toekomstige energiezuinige ruimtebesparende dataopslagapparaten. Wetenschappers van Forschungszentrum Jülich hebben nu een andere klasse deeltjesachtig magnetisch object ontdekt die de ontwikkeling van gegevensopslagapparaten een belangrijke stap voorwaarts zou kunnen maken. De nieuw ontdekte magnetische deeltjes maken het mogelijk om digitale gegevens direct te coderen met twee verschillende soorten magnetische objecten, namelijk met skyrmionen en magnetische bobbers - als skyrmionen worden gebruikt om nummer één te coderen, dan zouden de nieuwe structuren kunnen worden gebruikt om het getal nul te coderen.

Deze objecten, die worden aangeduid als "chirale magnetische bobbers, " zijn driedimensionale magnetische structuren die verschijnen in de buurt van de oppervlakken van bepaalde legeringen.

"Voor een lange tijd, het unieke object voor onderzoek op het gebied van chirale magneten was het magnetische skyrmion. We bieden nu een nieuw object voor onderzoek door onderzoekers - een chirale bobber - dat wordt gekenmerkt door een aantal unieke eigenschappen, " zegt Dr. Nikolai Kiselev van Jülich's Peter Grünberg Instituut (PGI-1). Drie jaar geleden, samen met de directeur van het instituut, prof. Stefan Blügel en andere medewerkers, ze voorspelden theoretisch het bestaan ​​van deze nieuwe klasse van magnetische structuren. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Ernst Ruska-centrum voor microscopie en spectroscopie met elektronen (directeur prof. Rafal E. Dunin-Borkowski en zijn collega's) hebben experimenteel het bestaan ​​​​van chirale bobbers in een echt materiaal aangetoond.

De stabiliteit van magnetische structuren zoals skyrmionen is gerelateerd aan een eigenschap van het materiaal dat bekend staat als chiraliteit. Net zoals een rechterhand om redenen van symmetrie niet in een linkerhand kan worden omgezet, rechtshandige en linkshandige magnetische structuren kunnen niet in elkaar worden omgezet. Verder, zowel skyrmionen als de nieuw ontdekte chirale bobbers zijn erg klein, met diameters van doorgaans slechts enkele tientallen nanometers. Daarom, ze kunnen in principe worden gebruikt om gegevens zeer dicht op een geheugenchip te verpakken. Echter, hun kleine formaat maakt hun observatie zeer uitdagend. "De visualisatie van magnetische textuur op zo'n kleine schaal vereist speciale state-of-the-art technieken die in slechts een paar laboratoria wereldwijd toegankelijk zijn, " legt Rafal Dunin-Borkowski uit.

Er is nog een belangrijke reden waarom magnetische solitonen (een andere naam voor deeltjesachtige objecten in de niet-lineaire fysica) zoals skyrmionen en chirale bobbers zo veelbelovend zijn voor toepassingen. In tegenstelling tot databits in harde schijven, skyrmions zijn beweegbare objecten. Hun beweging langs een geleidingsbaan in een chip kan worden geïnduceerd door een zeer zwakke elektrische stroomstoot. Deze eigenschap biedt nieuwe mogelijkheden voor de ontwikkeling van een volledig nieuw concept van magnetisch solid-state geheugen, het zogenaamde skyrmion racetrack-geheugen. "Door de mobiliteit van skyrmions kunnen gegevens van schrijf- naar leeselementen worden verplaatst zonder dat er beweegbare mechanische onderdelen nodig zijn, zoals lees- en schrijfkoppen en de draaiende harde schijf zelf, " legt Nikolai Kiselev uit. Deze mogelijkheid bespaart energie omdat componenten die bewegen over het algemeen meer energie nodig hebben, meer ruimte innemen en gevoelig zijn voor mechanische trillingen en schokken. Een nieuw solid state magnetisch geheugen zou dergelijke nadelen niet hebben.

"Tot nu, er werd aangenomen dat digitale gegevens op de een of andere manier moeten worden weergegeven als een opeenvolging van skyrmionen en lege ruimtes, ", zegt Stefan Blügel. De afstand tussen opeenvolgende skyrmionen codeert dan binaire informatie. het moet dan worden gecontroleerd of gekwantiseerd, zodat er geen informatie verloren gaat door spontane drift van de skyrmionen. In plaats daarvan, de nieuw ontdekte driedimensionale magnetische deeltjes bieden mogelijkheden om digitale gegevens direct te coderen als een opeenvolging van skyrmionen en magnetische bobbers, die elk vrij kunnen stromen zonder nauwkeurige afstanden tussen opeenvolgende databitdragers te hoeven aanhouden.

Verder onderzoek is nodig om praktische toepassingen te ontwikkelen. In de ijzer-germaniumlegering bestudeerd door Nikolai Kiselev en zijn collega's, de structuren zijn slechts stabiel tot 200 Kelvin, wat overeenkomt met -73,5 graden Celsius. Echter, op basis van theoretische overwegingen, er wordt voorspeld dat magnetische bobbers ook kunnen voorkomen in andere chirale magneten en, zoals sommige recent ontdekte soorten skyrmionen, kan ook bij kamertemperatuur voorkomen.