Skyrmion-onderzoek: vlechten van nanovortices ontdekt

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

Touwtjes, draden en gevlochten structuren zie je overal in het dagelijks leven, van schoenveters tot wollen truien, van vlechten in het haar van een kind tot de gevlochten staalkabels die worden gebruikt om talloze bruggen te ondersteunen. Deze structuren komen ook veel voor in de natuur en kunnen bijvoorbeeld plantenvezels trek- of buigsterkte geven. Natuurkundigen van Forschungszentrum Jülich hebben samen met collega’s uit Stockholm en Hefei ontdekt dat dergelijke structuren op nanoschaal voorkomen 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, zoals 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. Ultrahoge resolutie microscopie-onderzoeken uitgevoerd in het Ernst Ruska-Centre in Jülich en de theoretische studies aan het Peter Grünberg Instituut in Jülich hebben echter een meer gevarieerd beeld onthuld: de draden kunnen in feite in verschillende mate in elkaar draaien. Volgens de onderzoekers stabiliseren deze complexe vormen de magnetische structuren, waardoor ze bijzonder interessant zijn voor gebruik in uiteenlopende toepassingen.

“Wiskunde bevat een grote verscheidenheid van deze structuren. Nu weten we dat deze theoretische kennis kan worden vertaald in echte fysieke verschijnselen”, meldt de natuurkundige Dr. Nikolai Kiselev van Jülich met genoegen. “Dit soort structuren in magnetische vaste stoffen suggereren unieke elektrische en magnetische eigenschappen, maar verder onderzoek is nodig om dit te verifiëren.”

Om de discrepantie tussen deze onderzoeken en eerdere onderzoeken te verklaren, wijst de onderzoeker 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 goed mogelijk dat andere onderzoekers deze structuren ook onder de microscoop hebben gezien, maar ze niet hebben 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 nodig om een ​​theoretisch model van het monster te maken en er een soort elektronenmicroscoopbeeld van te maken”, legt Kiselev uit. “Als de theoretische en experimentele beelden overeenkomen, kan men concluderen dat het model in staat is om de werkelijkheid weer te geven.” In dit soort ultrahoge resolutie-analyses geldt Forschungszentrum Jülich met zijn Ernst Ruska-Centre als een van de toonaangevende instellingen wereldwijd.