Een effectieve strategie voor het beschermen van skyrmionen in kwantumcomputers

Een magnetisch skyrmion is een veelzijdig topologisch object dat kan worden gebruikt om informatie te vervoeren in toekomstige spintronische informatieverwerkingsapparatuur. Als potentiële niet-vluchtige informatiedragers zijn uitstekende duurzaamheid en robuuste retentie gewenste eigenschappen van skyrmionen in spintronische apparaten. Eerdere studies hebben echter gesuggereerd dat skyrmionen gemakkelijk kunnen worden vernietigd aan de randen van apparaten tijdens snelle operaties vanwege het zogenaamde skyrmion Hall-effect.

Om deze redenen is een van de aandachtspunten van het huidige skyrmion-onderzoek het vinden van effectieve manieren om te voorkomen dat skyrmions worden vernietigd door apparaatranden aan te raken. Typische oplossingen zijn onder meer de eliminatie van het skyrmion Hall-effect in antiferromagnetische en synthetische antiferromagnetische systemen.

In een studie gepubliceerd in Nano-letters, demonstreren de groep onder leiding van prof. Xiaoxi Liu van de afdeling Electrical and Computer Engineering, Shinshu University, Japan en hun medewerkers in experimenten dat skyrmionen effectief kunnen worden opgesloten in kanalen en worden beschermd tegen vernietiging aan apparaatranden in meer algemeen gebruikte ferromagnetische systemen . De opsluiting van skyrmionen in ontworpen kanalen is van fundamenteel belang voor alle praktische toepassingen op basis van de accumulatie en het transport van skyrmionen. De auteurs vinden dat de positie van skyrmionen in ferromagnetische materialen kan worden gecontroleerd door geconstrueerde energiebarrières en putten.

Daarom hebben ze experimenteel een magnetische meerlagige film gefabriceerd met veel energiebarrières en putten gevormd door patronen met gewijzigde magnetische eigenschappen, waar ze ontdekken dat skyrmionen kunnen worden aangetrokken of afgestoten door de grenzen van patronen. Door vierkante en streeppatronen met gewijzigde magnetische eigenschappen in een grote ferromagnetische film te fabriceren, tonen de auteurs de mogelijkheid aan om betrouwbare kanalen te bouwen voor opsluiting, accumulatie en mogelijk transport van skyrmionen als informatiedragers.

Bovendien biedt deze methode die in dit onderzoek wordt beschreven ook de mogelijkheid voor toekomstig onderzoek van de skyrmionen die interageren met eendimensionale en tweedimensionale substraten, belangrijke dynamische problemen die in de afgelopen decennia theoretisch zijn onderzocht.

“Ons onderzoek heeft aangetoond dat een robuuste topologische bescherming van skyrmionen kan worden bereikt door een eenvoudige maar effectieve aanpak, die van praktisch belang is voor de toepassing”, legt experimentator prof. Xiaoxi Liu van de Shinshu University uit, die dit onderzoek leidde.

Senior JSPS-onderzoeker Dr. Xichao Zhang zegt dat “de onderzoeksresultaten suggereren dat we patronen van gewijzigde magnetische eigenschappen kunnen gebruiken om het statische en dynamische gedrag van skyrmionen te beheersen.” Vervolgens voegt hij eraan toe: “In ons toekomstige werk zullen we de stroom-geïnduceerde dynamiek van skyrmionen in ontworpen kanalen onderzoeken, wat weer een belangrijke stap zal zijn in de richting van op skyrmion gebaseerde spintronische apparaten.”