Natuurkundigen van RIKEN hebben ontdekt hoe interacties tussen elektronen een zich herhalende opstelling van wervelende magnetische patronen, bekend als skyrmionen, kunnen stabiliseren. die zouden kunnen helpen om deze structuren verder te exploiteren.

De spin van een elektron zorgt ervoor dat het zich gedraagt ​​als een miniatuurmagneet. In een skyrmion, veel van deze spins zijn gerangschikt in een wervelend patroon dat lijkt op een kleine tornado. Skyrmionen zijn veelbelovend als middel om informatie te vervoeren in een nieuwe generatie high-density, energiezuinige apparaten voor gegevensopslag.

Skyrmionen gedragen zich alsof ze afzonderlijke deeltjes zijn, en meerdere skyrmions kunnen zichzelf rangschikken in een regelmatig raster binnen bepaalde soorten materiaal. Maar onderzoekers discussiëren nog steeds over hoe deze stabiele skyrmion-roosters worden gevormd.

Voor meer informatie over skyrmion-roosters, Yuuki Yasui van het RIKEN Center for Emergent Matter Science en collega's bestudeerden een metallisch materiaal genaamd gadoliniumrutheniumsilicide (GdRu2Si2; Fig. 1). Elektronen in de gadoliniumatomen van het materiaal zijn grotendeels verantwoordelijk voor de magnetische eigenschappen, terwijl de rutheniumatomen 'rondtrekkende' elektronen bijdragen die mobieler zijn.

Het team had eerder ontdekt dat door een magnetisch veld op het materiaal aan te leggen, ze zouden een vierkant rooster van skyrmionen kunnen creëren, gerangschikt in een rasterpatroon met tussenpozen van ongeveer 2 nanometer. In de nieuwe studie ze gebruikten een techniek genaamd spectroscopische-beeldvorming scanning tunneling microscopie (SI-STM) om de rondreizende elektronen in GdRu2Si2 te bestuderen.

De onderzoekers koelden het materiaal af tot -271 graden Celsius en pasten een reeks magnetische velden toe om verschillende magnetische patronen te genereren. SI-STM-metingen toonden aan dat veranderingen in de magnetische patronen van het materiaal werden weerspiegeld in de verdeling van rondreizende elektronen. Cruciaal, het team zag ook dat het skyrmion-roosterpatroon is afgedrukt op de rondreizende elektronen van het materiaal, als gevolg van interacties tussen de spins van gelokaliseerde en rondreizende elektronen.

De onderzoekers suggereren dat deze interacties een belangrijke rol kunnen spelen bij de vorming van het vierkante skyrmion-rooster. "Het voorgestelde mechanisme stabiliseert skyrmion-roosters, ' zegt Yasui.

Het team voerde ook theoretische berekeningen uit, gebaseerd op de interacties tussen gelokaliseerde en rondtrekkende elektronen, om de verdeling van rondtrekkende elektronen in het materiaal onder verschillende magnetische velden te voorspellen. Deze verdelingen leken erg op de patronen die werden waargenomen door SI-STM, ter ondersteuning van het door de onderzoekers voorgestelde mechanisme.

Naast het geven van aanwijzingen over hoe skyrmion-roosters worden gestabiliseerd, het onderzoek toont aan dat SI-STM kan worden gebruikt om het gedrag van skyrmionen indirect te volgen. "Dit zou onderzoekers een handig hulpmiddel kunnen bieden om skyrmion-roosters in andere materialen te bestuderen, ' zegt Yasui.