Wetenschappers leggen realtime smelten van 2D Skyrmion-roosters vast met behulp van magnetische velden

Wat gebeurt er tijdens het smeltproces in tweedimensionale systemen op microscopisch niveau? Onderzoekers van Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) hebben dit fenomeen in dunne magnetische lagen onderzocht.

“By utilizing skyrmions, ie, miniature magnetic vortices, we were able to directly observe, for the first time, the transition of a two-dimensional ordered lattice structure into a disordered state at the microscopic level in real time,” explained Raphael Gruber, who conducted the research within the working group of Professor Mathias Kläui at the JGU Institute of Physics.

De bevindingen, gepubliceerd in Natuurnanotechnologiezijn fundamenteel voor een dieper inzicht in smeltprocessen in twee dimensies en het gedrag van skyrmions, die een revolutie teweeg kunnen brengen in toekomstige technologieën voor gegevensopslag.

Tweestaps smelten van Skyrmion-roosters

Hoewel het concept van ijs smelten in water bekend is vanuit een macroscopisch perspectief, blijven de microscopische aspecten van smeltprocessen verrassend slecht begrepen.

“Deze fase-overgang is bijzonder intrigerend in tweedimensionale systemen, waar verschillende fenomenen ontstaan, verschillend van die waargenomen in driedimensionale tegenhangers,” gooide Gruber uit.

Aanvankelijk genereerden de onderzoekers skyrmionen, die magnetische vortexstructuren zijn die analoog zijn aan microscopische orkanen, door precies te kalibreren van temperatuur en magnetische velden. Vanwege hun opmerkelijke stabiliteit kunnen skyrmionen worden beschouwd als individuele entiteiten. Wanneer dicht ingepakt, organiseren deze magnetische wervelingen zelf in een gewone roosterstructuur.

“Onze primaire vraag was: wat gebeurt er als we deze geordende status terugkeren naar een ongeordende, in feite, wanneer we het systeem smelten?” zei Gruber.

Met behulp van een magneto-optische KERR-microscoop hebben de onderzoekers dit proces voor het eerst in realtime waargenomen. In tegenstelling tot driedimensionale roosterstructuren, zoals ijs, smelt het tweedimensionale Skyrmion-rooster in een onderscheidend tweestapsproces. Tijdens de eerste stap gaat de translationele volgorde verloren, waarbij individuele skyrmionen binnen een rooster achterblijven, maar toch onregelmatige afstanden vertonen aan hun naaste buren. Alleen in de daaropvolgende stap is de oriëntatie ook gecompromitteerd, met als hoogtepunt de volledige oplossing van het rooster – een smeltproces.

“De opheldering van deze smeltovergang werd sterk vergemakkelijkt door onze samenwerking met collega’s van het Centre for Quantum Spintronics aan de Noorse Universiteit van Wetenschap en Technologie,” merkte professor Mathias Kläui op.

Magnetisch veld-geïnduceerd smelten: een nieuwe benadering

Een onderscheidend aspect van dit experimentele ontwerp ligt in de methode die wordt gebruikt om smelten te veroorzaken. Meestal zou men de temperatuur verhogen. Deze benadering is echter suboptimaal in deze context, omdat het de omstandigheden zou veranderen die aanleiding geven tot de magnetische wervelingen.

“In plaats daarvan hebben we de grootte van de skyrmionen verminderd door het magnetische veld te moduleren. Deze benadering bood de skyrmions een grotere mobiliteit in het rooster, waardoor beweging mogelijk was,” legde Gruber uit. “Deze strategie, verwant aan toenemende temperatuur, leidt ertoe dat de roosterstructuur steeds meer ongeordend wordt, wat uiteindelijk resulteert in zijn volledige ontbinding.”

Deze bevindingen effenen de weg voor de potentiële toepassing van skyrmions in toekomstige technologieën voor gegevensopslag, en bieden een aanzienlijk verbeterde gegevensdichtheid, snelle lees-/schrijftoegang en uitzonderlijke energie -efficiëntie.