Een team van wetenschappers uit Duitsland, Zweden en China hebben een nieuw natuurkundig fenomeen ontdekt:complexe gevlochten structuren gemaakt van kleine magnetische wervels die skyrmionen worden genoemd. Skyrmionen werden iets meer dan tien jaar geleden voor het eerst experimenteel gedetecteerd en zijn sindsdien het onderwerp geweest van talloze onderzoeken, evenals een mogelijke basis voor innovatieve concepten in informatieverwerking die betere prestaties en een lager energieverbruik bieden. Verder, skyrmionen beïnvloeden de magnetoresistieve en thermodynamische eigenschappen van een materiaal. De ontdekking is daarom relevant voor zowel toegepast als fundamenteel onderzoek.

Snaren, draden en gevlochten structuren zie je overal in het dagelijks leven, van schoenveters, tot wollen truien, van vlechten in kinderhaar tot de gevlochten staalkabels die worden gebruikt om talloze bruggen te ondersteunen. Deze structuren worden ook vaak gezien in de natuur en kunnen, bijvoorbeeld, geven plantenvezels trek- of buigsterkte. Natuurkundigen bij Forschungszentrum Jülich, samen met collega's uit Stockholm en Hefei, hebben ontdekt dat dergelijke structuren op nanoschaal bestaan ​​in legeringen van ijzer en het metalloïde germanium.

Deze nanostrings zijn elk opgebouwd uit verschillende skyrmionen die in meer of mindere mate in elkaar zijn gedraaid, eerder als de strengen van een touw. Elk skyrmion zelf bestaat uit magnetische momenten die in verschillende richtingen wijzen en samen de vorm aannemen van een langwerpige kleine vortex. Een individuele skyrmion-streng heeft een diameter van minder dan één micrometer. De lengte van de magnetische structuren wordt alleen beperkt door de dikte van het monster; ze strekken zich uit van het ene oppervlak van het monster naar het tegenoverliggende oppervlak.

Eerdere studies door andere wetenschappers hadden aangetoond dat dergelijke filamenten grotendeels lineair en bijna staafvormig zijn. Echter, ultrahoge resolutie microscopie-onderzoeken uitgevoerd in het Ernst Ruska-Centre in Jülich de theoretische studies aan het Peter Grünberg Instituut in Jülich hebben een meer gevarieerd beeld onthuld:de draden kunnen in feite in verschillende mate in elkaar draaien. Volgens de onderzoekers is deze complexe vormen stabiliseren de magnetische structuren, waardoor ze bijzonder interessant zijn voor gebruik in een reeks toepassingen.

"Wiskunde bevat een grote verscheidenheid van deze structuren. Nu weten we dat deze theoretische kennis kan worden vertaald in echte fysieke verschijnselen, De natuurkundige Dr. Nikolai Kiselev van Jülich is verheugd te kunnen melden. "Dit soort structuren in magnetische vaste stoffen suggereren unieke elektrische en magnetische eigenschappen. Echter, verder onderzoek is nodig om dit te verifiëren."

Om de discrepantie tussen deze onderzoeken en eerdere onderzoeken te verklaren, de onderzoeker wijst erop dat analyses met een ultrahoge resolutie elektronenmicroscoop niet zomaar een afbeelding van het monster opleveren, zoals in het geval van, bijvoorbeeld, een optische microscoop. Dit komt omdat kwantummechanische verschijnselen een rol gaan spelen wanneer de elektronen met hoge energie interageren met die in het monster.

"Het is heel goed mogelijk dat andere onderzoekers deze structuren ook onder de microscoop hebben gezien, maar heb ze niet kunnen interpreteren. Dit komt omdat het niet mogelijk is om de distributie van magnetisatierichtingen in het monster rechtstreeks te bepalen uit de verkregen gegevens. In plaats daarvan, het is noodzakelijk om een ​​theoretisch model van het monster te maken en er een soort elektronenmicroscoopbeeld van te genereren, " legt Kiselev uit. "Als de theoretische en experimentele beelden overeenkomen, men kan concluderen dat het model in staat is de werkelijkheid weer te geven." Forschungszentrum Jülich met zijn Ernst Ruska-Centre geldt als een van de toonaangevende instellingen wereldwijd.