Hoe magnetische nanoknopen los te maken

Skyrmions – kleine magnetische wervelingen die in bepaalde combinaties van materialen voorkomen – worden beschouwd als veelbelovende informatiedragers voor toekomstige gegevensopslag. Een onderzoeksteam van de RWTH Aachen University, Kiel University en de University of Iceland heeft ontdekt dat deze magnetische nanoknopen zichzelf op twee verschillende manieren losmaken. Met behulp van een magnetisch veld kan de kans om te slagen in het ontkoppelen worden gevarieerd met maximaal een factor 10.000. Dit inzicht kan baanbrekend zijn voor toekomstige informatieverwerking met skyrmions. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Natuurfysica.

De magnetische nanoknopen coderen informatie door hun aanwezigheid of afwezigheid. De belangrijkste voordelen van de knopen zijn dat ze extreem stabiel zijn, slechts enkele nanometers groot, bestaan ​​bij kamertemperatuur en kunnen worden verplaatst door zeer kleine stromen. Door de kleine stromen wordt de formatie op een zeer energiezuinige manier uitgelezen en geschreven. Skyrmions kunnen in principe ook gebruikt worden voor dataverwerking, zodat verwerking en opslag gecombineerd kunnen worden in één structuur. Dit zou computers compacter en, nog belangrijker, energiezuiniger maken. Op basis van deze veelbelovende eigenschappen streven onderzoekers wereldwijd naar het optimaliseren van skyrmion-eigenschappen, met bijzondere aandacht voor skyrmion-stabiliteit. Hoewel skyrmions meestal extreem stabiel zijn, vervallen de kleinste skyrmions, die nodig zijn voor voldoende gegevensopslagdichtheid, nog steeds veel te snel bij kamertemperatuur. Een gedetailleerd begrip van mogelijke vervalmechanismen zou inzicht kunnen verschaffen in hoe hun stabiliteit aanzienlijk kan worden verbeterd.

De uitzonderlijke stabiliteit van skyrmions is het resultaat van de knoopachtige configuratie van deze atomaire magneten. Net als bij een stuk touw, waarbij het uiteinde van het touw door een centraal gat moet worden getrokken, vereist het losmaken van de atoomknoop een aanzienlijke inspanning. Voor de magnetische nanoknoop is er een iets eenvoudigere oplossing: na het omkeren van een enkele atoommagneet tegen de herstellende krachten van zijn naburige atomen, vervalt de knoop continu zonder verdere inspanning. Tot nu toe was echter niet bekend welke van de atomaire magneten van de ongeveer 100 in een skyrmion het gemakkelijkst kan worden omgekeerd en wat het proces precies is.

De onderzoekers uit Aken, Kiel en Reykjavik bundelden hun expertise om deze vragen te beantwoorden. “Welke atoommagneet wordt gedraaid, hangt af van verschillende omstandigheden”, legt Florian Muckel van de RWTH-leerstoel Experimentele Fysica (Solid State Physics) uit: “Door een magnetisch veld te veranderen dat inwerkt op de skyrmionen, kunnen we kiezen tussen twee verschillende mechanismen.” Het eerste mechanisme comprimeert aanvankelijk de skyrmion tot de grootte van een enkele nanometer om de daaropvolgende spin-omkering in het midden te vergemakkelijken. Het andere mechanisme verschuift het midden van de knoop een nanometer naar de skyrmion-periferie, voordat een atomaire magneet zijn oriëntatie daar vrij gemakkelijk kan omdraaien. Zoals professor Markus Morgenstern, voorzitter van de leerstoel Experimentele Fysica (Vaste-stoffysica), uitlegt: “Met behulp van deze twee processen konden we de efficiëntie van het losmaken van de nanoknoop verbeteren. De stabiliteit van de skyrmion verandert met tot een factor 10.000, waar de meest stabiele configuratie honderd triljoen pogingen om te ontknopen kan weerstaan ​​voordat de knoop ontrafelt. “

Het nieuwe begrip van het losmaken van magnetische knopen is gebaseerd op een nauwkeurige vergelijking van experimenten uitgevoerd in Aken met theoretisch werk van de onderzoekers uit Kiel en Reykjavík. Atomistische computersimulaties, gebaseerd op nieuwe theoretische hulpmiddelen die vele jaren nodig hadden om te ontwikkelen, zijn in staat om de beweging van elke atomaire magneet in het ontkoppelingsproces te volgen. “Dankzij het gebruik van materiaalspecifieke interactieparameters die zijn verkregen uit kwantummechanische berekeningen, laten de simulaties een zeer goede match zien met de innovatieve experimenten”, legt professor Stefan Heinze uit. Voor de experimenten worden enkele elektronen afgezet op verschillende posities binnen het skyrmion. Per positie wordt bepaald of de nanoknoop aanwezig blijft of verdwijnt met behulp van de overtollige energie van de extra elektronen. Op basis van deze informatie zijn kaarten gemaakt met de kans om de knoop los te maken. “De overeenkomst tussen experiment en simulatie is indrukwekkend”, zegt Stephan von Malottki, Universiteit van Kiel, die de simulaties uitvoerde. “Het is een groot succes van onze theoretische benadering”, voegt Dr. Pavel Bessarab uit Reykjavik toe, die dankzij een Alexander von Humboldt-beurs in 2019 in de onderzoeksgroep van professor Stefan Heinze in Kiel werkte.

De onderzoekers denken dat de nieuwe inzichten over de stabiliteitsgrenzen van de magnetische nanoknopen ervoor zullen zorgen dat ze in de praktijk nog stabieler worden. Verbeterde stabiliteit van skyrmions zal hun toepassing in informatieverwerking efficiënter maken. Dit zou volgens de onderzoekers kunnen helpen om de nanoknopen in de nabije toekomst toe te passen in commerciële dataopslag.

De evenwichtsstructuur van de skyrmion die bovenaan wordt weergegeven (gekleurde kegels symboliseren de oriëntatie van de atomaire magneten) kan op twee verschillende manieren vervallen (links en rechts). Deze paden zijn ontdekt met behulp van computersimulaties. De overgangsstructuur wordt weergegeven in de tweede rij. De derde rij toont de overeenkomstige energieverdeling tijdens de overgang met een energetische heuvel die de beslissende omkering van een enkele atomaire magneet aangeeft. Kaarten in de onderste rij tonen de overgangssnelheden voor beide processen. Deze kaarten zijn experimenteel bepaald door extra elektronen af ​​te zetten op 200 verschillende posities binnen het skyrmion en te bepalen of de nanoknoop is ontrafeld door de overtollige energie van de elektronen te meten.