Draaikolken op nanoschaal, bekend als skyrmionen, kunnen in veel magnetische materialen worden gecreëerd. Voor de eerste keer, onderzoekers van PSI zijn erin geslaagd om antiferromagnetische skyrmionen te creëren en te identificeren met een unieke eigenschap:kritische elementen erin zijn in tegengestelde richtingen gerangschikt. Wetenschappers zijn erin geslaagd dit fenomeen in beeld te brengen met behulp van neutronenverstrooiing. Hun ontdekking is een grote stap in de richting van de ontwikkeling van potentiële nieuwe toepassingen, zoals efficiëntere computers. De resultaten van het onderzoek worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur .

Of een materiaal magnetisch is, hangt af van de spins van zijn atomen. De beste manier om spins te zien is als minuscule staafmagneten. In een kristalstructuur waar de atomen vaste posities in een rooster hebben, deze spins kunnen kriskras worden gerangschikt of allemaal parallel worden uitgelijnd, zoals de speren van een Romeins legioen, afhankelijk van het individuele materiaal en de staat ervan.

Onder bepaalde omstandigheden is het mogelijk om kleine draaikolken te genereren binnen het corps van spins. Deze staan ​​bekend als skyrmionen. Wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in skyrmionen als een belangrijk onderdeel van toekomstige technologieën, zoals efficiëntere gegevensopslag en -overdracht. Bijvoorbeeld, ze kunnen worden gebruikt als geheugenbits:een skyrmion kan de digitale vertegenwoordigen, en de afwezigheid ervan een digitale nul. Aangezien skyrmionen aanzienlijk kleiner zijn dan de bits die in conventionele opslagmedia worden gebruikt, datadichtheid is veel hoger en mogelijk ook energiezuiniger, terwijl lees- en schrijfbewerkingen ook sneller zouden zijn. Skyrmionen kunnen daarom zowel nuttig zijn bij klassieke gegevensverwerking als in geavanceerde kwantumcomputers.

Een ander interessant aspect voor de toepassing is dat skyrmionen in veel materialen kunnen worden gecreëerd en gecontroleerd door het aanleggen van een elektrische stroom. "Met bestaande skyrmions, echter, het is lastig om ze systematisch van A naar B te verplaatsen, omdat ze de neiging hebben om van een recht pad af te wijken vanwege hun inherente eigenschappen, " legt Oksana Zaharko uit, onderzoeksgroepleider bij PSI.

Samenwerken met onderzoekers van andere instellingen, Dr. Zaharko en haar team hebben nu een nieuw type skyrmion gecreëerd en een unieke eigenschap gedemonstreerd:in hun interieur, kritische spins zijn in tegengestelde richtingen van elkaar gerangschikt. De onderzoekers beschrijven hun skyrmionen daarom als antiferromagnetisch.

In een rechte lijn van A naar B

"Een van de belangrijkste voordelen van antiferromagnetische skyrmionen is dat ze veel eenvoudiger te controleren zijn:als er een elektrische stroom wordt aangelegd, ze bewegen in een eenvoudige rechte lijn, " Zaharko merkt op. Dit is een groot voordeel:om skyrmionen geschikt te maken voor praktische toepassingen, ze moeten selectief kunnen worden gemanipuleerd en gepositioneerd.

De wetenschappers creëerden hun nieuwe type skyrmion door ze te fabriceren in een aangepast antiferromagnetisch kristal. Zaharko legt uit:"Antferromagnetisch betekent dat aangrenzende spins zich in een antiparallelle rangschikking bevinden, met andere woorden de ene wijst naar boven en de volgende naar beneden. Dus wat aanvankelijk werd waargenomen als een eigenschap van het materiaal, identificeerden we later ook binnen de individuele skyrmionen."

Er zijn nog verschillende stappen nodig voordat antiferromagnetische skyrmionen volwassen genoeg zijn voor een technologische toepassing:PSI-onderzoekers moesten het kristal afkoelen tot ongeveer min 272 graden Celsius en een extreem sterk magnetisch veld van drie tesla toepassen - ongeveer 100, 000 keer de sterkte van het aardmagnetisch veld.

Neutronenverstrooiing om de skyrmionen te visualiseren

En de onderzoekers moeten nog individuele antiferromagnetische skyrmionen maken. Om de kleine wervelingen te verifiëren, de wetenschappers gebruiken de Zwitserse Spallation Neutron Source SINQ bij PSI. "Hier kunnen we skyrmionen visualiseren met behulp van neutronenverstrooiing als we er veel in een regelmatig patroon in een bepaald materiaal hebben, ' legt Zaharko uit.

Maar de wetenschapper is optimistisch:"In mijn ervaring, als we erin slagen om skyrmions te creëren in een regelmatige uitlijning, iemand zal er binnenkort in slagen om dergelijke skyrmions individueel te maken."

De algemene consensus in de onderzoeksgemeenschap is dat zodra individuele antiferromagnetische skyrmionen bij kamertemperatuur kunnen worden gecreëerd, een praktische toepassing zal niet ver weg zijn.