Kleiner, sneller, energiezuiniger:toekomstige eisen aan computers en gegevensopslag zijn moeilijk te vervullen en alternatieve concepten worden voortdurend onderzocht. Kleine magnetische texturen, zogenaamde skyrmions, kan een ingrediënt worden in nieuwe geheugen- en logische apparaten. Om in aanmerking te komen voor technologische toepassing, echter, snelle en energiezuinige controle van deze skyrmionen ter grootte van een nanometer is vereist

Magnetische skyrmionen zijn deeltjesachtige magnetisatiepatches die zich vormen als zeer kleine wervelingen in een verder uniform gemagnetiseerd materiaal. In het bijzonder ferromagnetische dunne films, skyrmionen zijn stabiel bij kamertemperatuur, met diameters tot in het bereik van tien nanometer. Het is bekend dat skyrmionen kunnen worden gecreëerd en verplaatst door korte elektrische stroompulsen. Pas onlangs werd ontdekt dat ook korte laserpulsen skyrmionen kunnen creëren en vernietigen. In tegenstelling tot elektrische stroompulsen, laserpulsen met een duur van minder dan picoseconden kunnen worden gebruikt, biedt een snellere en mogelijk energiezuinigere route om informatie te schrijven en te verwijderen die is gecodeerd door skyrmions. Dit maakt laser skyrmion schrijven interessant voor technologische toepassingen, inclusief alternatief geheugen en logische apparaten.

Wetenschappers van Max Born Institute samen met collega's van Helmholtz-Zentrum Berlin, Het Massachusetts Institute of Technology en andere onderzoeksinstellingen hebben nu in detail onderzocht hoe op laser gebaseerde creatie en vernietiging van skyrmionen kan worden gecontroleerd om de toepassing van het proces in apparaten te bevorderen. Om de magnetische skyrmionen in beeld te brengen, het team van onderzoekers gebruikte holografie-gebaseerde röntgenmicroscopie, die de minuscule magnetisatiewervelingen met een diameter van 100 nanometer en minder zichtbaar kunnen maken. De skyrmions kunnen zien, konden ze systematisch bestuderen hoe laserpulsen met verschillende intensiteit, toegepast in aanwezigheid van een extern magnetisch veld, kan skyrmions maken of verwijderen. Twee soorten materiaalsystemen, ontworpen om in de eerste plaats magnetische skyrmionen te kunnen hosten, werd onderzocht, beide bestaan ​​uit ultradunne meerlaagse stapels van ferromagnetische en paramagnetische materialen.

Niet verrassend gezien de thermische aard van het proces, de laserintensiteit moet goed zijn. Echter, er is een materiaalafhankelijk venster van laserintensiteiten waardoor een nieuw skyrmionpatroon kan worden gecreëerd dat volledig onafhankelijk is van de vorige magnetische toestand. Voor lagere intensiteiten, een bestaand patroon blijft ongewijzigd of wordt slechts licht gewijzigd, voor veel hogere intensiteiten, de meerlaagse structuur is beschadigd. Opmerkelijk, het aantal skyrmionen dat binnen de laserspot wordt gecreëerd, wordt niet beïnvloed door de laserintensiteit. In plaats daarvan, de onderzoekers ontdekten dat de aanwezigheid van een extern magnetisch veld het mogelijk maakt om de dichtheid van gecreëerde skyrmionen nauwkeurig te regelen. De sterkte van het externe veld biedt daarom een ​​knop om het aantal gecreëerde skyrmionen af ​​te stemmen en maakt zelfs vernietiging van skyrmionen mogelijk, zoals de wetenschappers in het tijdschrift rapporteren Technische Natuurkunde Brieven .

Ze demonstreerden de gecontroleerde creatie of vernietiging van enkele skyrmionen binnen de laservlek, zoals vereist voor toepassingen in gegevensopslag waar een enkele bit dan kan worden weergegeven door de aanwezigheid of afwezigheid van een skyrmion. Van belang voor mogelijke apparaattoepassing, echter, is ook de mogelijkheid om gelijktijdig een bepaalde dichtheid van skyrmionen te genereren in het gebied dat wordt verlicht door een enkele laserpuls. Dit proces zou kunnen worden gebruikt als een "skyrmion-herschikking" in stochastisch computergebruik. Daar, getallen worden weergegeven als reeksen willekeurige bits van "0" en "1, " met de kans om "1" tegen te komen die de getalwaarde codeert. Berekeningen kunnen dan worden uitgevoerd via logische bewerkingen tussen individuele bits van verschillende invoernummers. Hoewel het duidelijk een nichebenadering is in vergelijking met de heersende digitale logica, stochastisch computergebruik is veelbelovend gebleken voor bepaalde problemen zoals beeldverwerking. Echter, volledig gerandomiseerde bitstrings zijn nodig als ingangssignalen voor correcte resultaten van stochastische rekenbewerkingen. Zoals aangetoond in dit werk, dergelijke willekeurige "herschikking" van skyrmionen kan optisch worden uitgevoerd op een tijdschaal van picoseconden, compatibel met de modernste computerkloksnelheid en veel sneller dan in eerdere concepten op basis van thermische diffusie op een tijdschaal van seconden.