Skyrmionen - kleine magnetische wervelingen die in bepaalde combinaties van materialen voorkomen - worden beschouwd als veelbelovende informatiedragers voor toekomstige gegevensopslag. Een onderzoeksteam van de RWTH Aachen University, Universiteit van Kiel, en de Universiteit van IJsland heeft ontdekt dat deze magnetische nanoknopen zich op twee verschillende manieren losmaken. Met behulp van een magnetisch veld, de kans om te slagen in het losmaken kan tot een factor 10 worden gevarieerd, 000. Dit inzicht kan baanbrekend zijn voor toekomstige informatieverwerking met skyrmions. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Natuurfysica .

De magnetische nanoknopen coderen informatie door hun aanwezigheid of afwezigheid. De belangrijkste voordelen van de knopen zijn dat ze extreem stabiel zijn, slechts enkele nanometers groot, bestaan ​​bij kamertemperatuur, en kan worden verplaatst door zeer kleine stromingen. Door de kleine stromen de formatie wordt op een zeer energiezuinige manier uitgelezen en geschreven. In principe, skyrmions kunnen ook worden gebruikt voor gegevensverwerking, zodanig dat verwerking en opslag in één structuur kunnen worden gecombineerd. Dit zou computers compacter maken en belangrijker, energiezuiniger. Op basis van deze veelbelovende kenmerken, onderzoekers wereldwijd streven ernaar de eigenschappen van skyrmion te optimaliseren, met name gericht op de stabiliteit van skyrmion. Hoewel skyrmionen meestal extreem stabiel zijn, de kleinste skyrmions, die nodig zijn voor een adequate gegevensopslagdichtheid, nog steeds veel te snel bederven bij kamertemperatuur. Een gedetailleerd begrip van mogelijke vervalmechanismen zou inzicht kunnen bieden in hoe hun stabiliteit aanzienlijk kan worden verbeterd.

De uitzonderlijke stabiliteit van skyrmionen is het resultaat van de knoopachtige configuratie van deze atomaire magneten. Net als bij een stuk touw, waarbij het uiteinde van het touw door een centraal gat moet worden getrokken, het ontbinden van de atoomknoop vergt veel inspanning. Voor de magnetische nanoknoop, er is een iets eenvoudigere oplossing - na het omkeren van een enkele atomaire magneet tegen de herstellende krachten van de naburige atomen, de knoop vervalt continu zonder verdere inspanning. Echter, tot nu, het was niet bekend welke van de atoommagneten van de ongeveer 100 in een skyrmion het gemakkelijkst kan worden omgekeerd en wat precies het proces is.

De onderzoekers uit Aken, Kiel, en Reykjavik hebben hun expertise gebundeld om deze vragen te beantwoorden. "Welke atomaire magneet wordt gedraaid, hangt af van verschillende omstandigheden, " legt Florian Muckel van de RWTH leerstoel Experimentele Fysica (Solid State Physics) uit:"Door een magnetisch veld te veranderen dat inwerkt op de skyrmionen, we kunnen kiezen tussen twee verschillende mechanismen. "Het eerste mechanisme comprimeert het skyrmion in eerste instantie tot de grootte van een enkele nanometer om de daaropvolgende spinomkering in het midden te vergemakkelijken. Het andere mechanisme verschuift het midden van de knoop één nanometer naar de periferie van het skyrmion, voordat een atomaire magneet zijn oriëntatie daar vrij gemakkelijk kan omdraaien. Zoals professor Markus Morgenstern, houder van de leerstoel Experimentele Fysica (Solid State Physics) legt uit:"Met behulp van deze twee processen, we waren in staat om de efficiëntie van het losmaken van de nanoknoop te verbeteren. De stabiliteit van het skyrmion verandert tot een factor 10, 000, waar de meest stabiele configuratie honderd biljoen ontknopingspogingen kan weerstaan ​​voordat de knoop ontrafelt."

Het nieuwe begrip van het losmaken van magnetische knopen is gebaseerd op een nauwkeurige vergelijking van experimenten die in Aken zijn uitgevoerd met theoretisch werk van de onderzoekers uit Kiel en Reykjavík. Atomistische computersimulaties, gebaseerd op nieuwe theoretische instrumenten die vele jaren nodig hadden om te ontwikkelen, zijn in staat om de beweging van elke atomaire magneet in het ontkoppelingsproces te volgen. "Dankzij het gebruik van materiaalspecifieke interactieparameters verkregen uit kwantummechanische berekeningen, de simulaties laten een zeer goede match zien met de innovatieve experimenten, " legt professor Stefan Heinze uit. Voor de experimenten, enkele elektronen worden afgezet op verschillende posities binnen het skyrmion. Op elke positie, met behulp van de overtollige energie van de extra elektronen wordt bepaald of de nanoknoop aanwezig blijft of verdwijnt. Op basis van deze informatie, Er zijn kaarten gemaakt van de kans om de knoop te ontwarren. "De overeenkomst tussen experiment en simulatie is indrukwekkend, " zegt Stephan von Malottki, Universiteit van Kiel, die de simulaties heeft uitgevoerd. "Het is een groot succes van onze theoretische benadering, " voegt Dr. Pavel Bessarab uit Reykjavik toe, WHO, dankzij een Alexander von Humboldt-beurs, werkte in 2019 in de onderzoeksgroep van professor Stefan Heinze in Kiel.

De onderzoekers denken dat de nieuwe inzichten over de grenzen van de stabiliteit van de magnetische nanoknopen ze in de praktijk nog stabieler zullen maken. Verbeterde stabiliteit van skyrmionen zal hun toepassing in informatieverwerking efficiënter maken. Dit kan ertoe bijdragen dat de nanoknopen in de nabije toekomst worden toegepast in commerciële gegevensopslag, volgens de onderzoekers.

De evenwichtsstructuur van het skyrmion dat bovenaan wordt weergegeven (gekleurde kegels symboliseren de oriëntatie van de atomaire magneten) kan op twee verschillende manieren vervallen (links en rechts). Deze paden zijn ontdekt met behulp van computersimulaties. De overgangsstructuur is weergegeven in de tweede rij. De derde rij toont de overeenkomstige energieverdeling tijdens de overgang met een energieheuvel die de beslissende omkering van een enkele atomaire magneet markeert. Kaarten in de onderste rij tonen de overgangssnelheden voor beide processen. Deze kaarten zijn experimenteel bepaald door extra elektronen op 200 verschillende posities in het skyrmion te deponeren en te bepalen of de nanoknoop al dan niet is ontrafeld door de overtollige energie van de elektronen te meten.