Onderzoekers van de Universiteit van Augsburg en de Universiteit van Wenen hebben naast elkaar bestaande magnetische skyrmionen en antiskyrmionen met willekeurige topologische lading bij kamertemperatuur ontdekt in magnetische Co/Ni meerlaagse dunne films. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Nature Physics en de mogelijkheid openen voor een nieuw paradigma in skyrmionics-onderzoek.

De ontdekking van nieuwe spinobjecten met willekeurige topologische lading belooft bij te dragen aan de vooruitgang in fundamenteel en toegepast onderzoek, vooral door hun toepassing in apparaten voor informatieopslag.

Magnetische skyrmionen zijn gelokaliseerde, stabiele topologische magnetische spintexturen die lijken op een tornado-achtige werveling in magnetisch materiaal. Ze kunnen heel klein zijn, met diameters in het nanometerbereik, en zich gedragen als deeltjes die kunnen worden verplaatst, gecreëerd en vernietigd, waardoor ze geschikt zijn voor 'abacus'-achtige toepassingen in informatieopslag en logische apparaten.

In hun artikel in Nature Physics , getiteld "Dipolaire skyrmionen en antiskyrmionen van willekeurige topologische lading bij kamertemperatuur", demonstreert een groep onderzoekers aan de Universiteit van Augsburg onder leiding van prof. Manfred Albrecht dat deze spinobjecten alleen te vinden zijn in een afzonderlijke fasezak in het stabiliteitsdiagram waar de kwaliteitsfactor Q heeft een waarde van ongeveer 1, die wordt gegeven door de verhouding tussen de uniaxiale magnetische anisotropie en de magnetische vormanisotropie.

Dankzij uitgebreide simulaties uitgevoerd door Sabri Koraltan en collega's van de simulatiegroep aan de Universiteit van Wenen, onder leiding van prof. Dieter Suess, en ondersteund door dr. Nikolai Kiselev van Forschungszentrum Jülich, konden onderzoekers ook de exacte redenen identificeren waarom spin objecten zijn terug te vinden in het stabiliteitsdiagram, hun onderliggende vormingsproces, evenals de benodigde materiaaleigenschappen die nu ook op andere materiaalsystemen kunnen worden toegepast.

"We zijn erg enthousiast over de opwindende inzichten die zijn verkregen door de ontdekking van deze spinobjecten, die gemakkelijk bij kamertemperatuur kunnen worden vervaardigd. Dit is een uitstekende wetenschappelijke vooruitgang op het gebied van skyrmionen en topologische spinobjecten", zegt Albrecht. Deze skyrmionische spintexturen op nanoschaal bieden extra vrijheidsgraden en kunnen worden ingebed in dunnefilmapparaten die verschillende toepassingen mogelijk maken, variërend van onconventioneel computergebruik tot nieuwe opslagconcepten.

Een ander zeer essentieel aspect van spinobjecten is dat een spin-gepolariseerde stroom hun beweging induceert. Wanneer een ladingsstroom door een geleidend magnetisch materiaal gaat, zal de gepolariseerde elektronenspin een koppel uitoefenen op de magnetisatie dat bekend staat als het spin-overdrachtskoppel. Dit koppel kan de hogere orde skyrmionen in beweging zetten.

"Met behulp van micromagnetische simulaties kunnen we de efficiënte controle van de beweging van deze buitengewone spinobjecten demonstreren, wat verdere mogelijkheden opent voor skyrmionische apparaten", zegt Koraltan, een promovendus van de computationele groep van de Universiteit van Wenen.

Lorentz-transmissie-elektronenmicroscopie aan de Universiteit van Augsburg werd uitgebreid gebruikt in het onderzoek, dat momenteel wordt uitgebreid om de stroomgeïnduceerde beweging van deze objecten met meerdere ladingsspins te visualiseren.

"In welke mate onze voorspellingen over hun bewegingskarakteristieken experimenteel kunnen worden bevestigd, zal in de nabije toekomst heel spannend zijn om te onderzoeken", zegt Mariam Hassan, een postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Augsburg.

Meer informatie: Mariam Hassan et al, Dipolaire skyrmionen en antiskyrmionen met willekeurige topologische lading bij kamertemperatuur, Natuurfysica (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02358-z

Journaalinformatie: Natuurfysica

Aangeboden door Universiteit van Augsburg