De levenscyclus van skyrmionen tot in het kleinste detail observeren

Voor het eerst heeft een volledig RIKEN-team de hele levenscyclus van kleine magnetische draaikolken bekeken en hun geboorte, beweging en dood onthuld. Dit zal belangrijk zijn voor de ontwikkeling van toekomstige geheugenapparaten met een laag vermogen op basis van deze magnetische wervelingen.

Voor het eerst experimenteel waargenomen in 2009, worden skyrmionen gevormd wanneer de magnetische velden van de atomen van een materiaal zich organiseren in draaikolkachtige structuren. Skyrmionen kunnen ronddrijven alsof het deeltjes zijn en zijn veelbelovend voor het overbrengen van gegevens in computerchips en geheugenapparaten met een laag vermogen.

Onderzoekers hebben eerder onderzocht hoe skyrmionen zich gedragen tijdens individuele fasen van hun leven. Maar deze gebeurtenissen vinden meestal plaats op enorm verschillende tijdschalen – van minder dan een nanoseconde tot vele microseconden – en met een lengte van nanometer tot micrometer. Dat maakte het moeilijk om een ​​skyrmion zijn hele leven te volgen en te begrijpen hoe meerdere skyrmionen in die tijd op elkaar inwerken.

“Dit gedrag zou rechtstreeks de prestaties van op skyrmion gebaseerde geheugenapparaten bepalen”, merkt Takahiro Shimojima van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) op.

Nu hebben Shimojima en zes CEMS-collega’s skyrmion gedurende hun hele leven bestudeerd in een dunne film van kobaltzink-mangaan.

Aangezien skyrmions doorgaans meer dan een jaar in dit magnetische materiaal kunnen leven, heeft het team de film ingezaaid met galliumionen, waardoor willekeurige defecten werden geïntroduceerd die het leven van de skyrmions beknotten. “Dat stelde ons in staat om de hele levenscyclus van de skyrmion te observeren”, zegt Shimojima. “Het bootst ook beter de imperfecte materialen na die zouden worden gebruikt in praktische op skyrmion gebaseerde apparaten.”

Het team plaatste de film in een magnetisch veld en bestudeerde deze met behulp van een elektronenmicroscoop en twee lasers die nanoseconde lichtpulsen kunnen afvuren. De eerste laser prikkelde het monster om skyrmionen te genereren, voordat de tweede laser een uitbarsting van elektronen in de microscoop veroorzaakte om de skyrmionen te onderzoeken.

De eerste laserpuls creëerde binnen een nanoseconde een batch skyrmionen. Na ongeveer 5 nanoseconden trokken deze skyrmionen samen en vormden cirkelvormige vormen van ongeveer 160 nanometer breed. Toen ze 10 nanoseconden oud waren, begonnen de skyrmionen door het materiaal te bewegen. Na 100 nanoseconden clusterden ze in zeshoekige vormen die nog ongeveer 200 nanoseconden overleefden, voordat ze in de volgende microseconden uit elkaar dreven. Uiteindelijk begonnen de skyrmions met elkaar te versmelten en stierven ongeveer 5 microseconden na hun geboorte.

“Deze informatie zou ons moeten helpen de factoren te begrijpen die de prestaties van op skyrmion gebaseerde apparaten kunnen beperken”, zegt Shimojima. De experimenten laten ook zien hoe defecten in magnetische materialen kunnen worden gebruikt om skyrmionen in dergelijke apparaten te beheersen.

Het team hoopt nu magnetische geheugenapparaten van de volgende generatie te ontwikkelen door gebruik te maken van hun nieuw ontdekte vermogen om snelle en herhaalbare controle over skyrmionen te realiseren.