Natuurkundigen hebben een veel snellere methode ontdekt om een ​​patroon van spins in een magneet te creëren. Deze snelkoppeling opent een nieuw hoofdstuk in topologisch onderzoek. Deze ontdekking biedt ook een extra methode om efficiëntere magnetische gegevensopslag te bereiken. Het onderzoek wordt op 5 oktober gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Natuurkundigen hebben eerder aangetoond dat laserlicht een patroon van magnetische spins kan creëren. Nu hebben ze een nieuwe route ontdekt waardoor dit veel sneller kan, in minder dan 300 picoseconden (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Dat gaat veel sneller dan eerder voor mogelijk werd gehouden.

Handig voor gegevensopslag:skyrmions

Magneten bestaan ​​uit veel kleine magneten, die spins worden genoemd. Normaal gesproken, alle spins wijzen in dezelfde richting, die de noord- en zuidpool van de magneet bepaalt. Maar de richtingen van de spins samen vormen soms vortex-achtige configuraties die bekend staan ​​als skyrmionen.

"Deze skyrmionen in magneten kunnen worden gebruikt als een nieuw type gegevensopslag, " legt Johan Mentink uit, natuurkundige aan de Radboud Universiteit. Voor een aantal jaar, Radboud-wetenschappers zijn op zoek naar optimale manieren om magnetisme met laserlicht te beheersen en uiteindelijk te gebruiken voor efficiëntere gegevensopslag. Bij deze techniek, zeer korte lichtpulsen worden afgevuurd op een magnetisch materiaal. Dit keert de magnetische spins in het materiaal om, die een beetje verandert van een 0 in een 1.

"Zodra de magnetische spins de vortex-achtige vorm van een skyrmion aannemen, deze configuratie is moeilijk te wissen, " zegt Mentink. "Bovendien deze skyrmionen zijn slechts enkele nanometers (een miljardste van een meter) groot, dus je kunt veel gegevens opslaan op een heel klein stukje materiaal."

Snelkoppeling

De faseovergang tussen deze twee toestanden in een magneet - alle spins wijzen in één richting naar een skyrmion - is vergelijkbaar met een weg over een hoge berg. De onderzoekers hebben ontdekt dat je een kortere weg door de berg kunt nemen door het materiaal heel snel op te warmen met een laserpuls. Daarbij, de drempel voor de faseovergang wordt gedurende zeer korte tijd lager.

Opmerkelijk aan deze nieuwe aanpak is dat het materiaal eerst in een zeer chaotische staat wordt gebracht, waarin de topologie - die kan worden gezien als het aantal skyrmionen in het materiaal - sterk fluctueert. De onderzoekers ontdekten deze aanpak door röntgenstralen van de Europese vrije-elektronenlaser in Hamburg te combineren met uiterst geavanceerde elektronenmicroscopie en spin-dynamica-simulaties. "Dit onderzoek vergde dan ook een enorme teaminspanning, ’ zegt Mentink.

Nieuwe mogelijkheden

Deze fundamentele ontdekking heeft een nieuw hoofdstuk geopend in topologisch onderzoek. Mentink verwacht dat veel meer wetenschappers nu in andere materialen op zoek gaan naar vergelijkbare manieren om 'een kortere weg door de berg te nemen'.

Deze ontdekking maakt ook nieuwe benaderingen mogelijk om snellere en efficiëntere gegevensopslag te creëren. Hier is steeds meer behoefte aan, bijvoorbeeld door de gigantische, energieverslindende datacenters die nodig zijn voor massale dataopslag in de cloud. Magnetische skyrmionen kunnen een oplossing bieden voor dit probleem. Omdat ze erg klein zijn en met licht heel snel gemaakt kunnen worden, veel informatie kan potentieel zeer snel en efficiënt worden opgeslagen op een klein gebied.