Magnetische skyrmionen: twee methoden om ze te maken en hun beweging te sturen

Magnetische skyrmionen zijn extreem kleine en stabiele wervelingen van magnetisatie, vaak aangeduid als “topologische quasi-deeltjes” omdat een opkomende stabiliteit dit spin-ensemble omarmt. Als zodanig kunnen skyrmionen worden gemanipuleerd met behoud van hun vorm. In ferromagnetische dunne films kunnen ze gemakkelijk worden gemaakt met een elektrische stroompuls of, nog sneller, met een laserpuls, zij het tot nu toe alleen op willekeurige posities in het materiaal. Skyrmionen zijn wetenschappelijk interessant vanuit twee perspectieven: aan de ene kant worden magnetische skyrmionen gezien als informatiedragers in toekomstige informatietechnologie. Aan de andere kant kunnen skyrmionen in dunne magnetische films fungeren als een ideaal testbed om de dynamiek van topologisch niet-triviale magnetische quasi-deeltjes te bestuderen.

Om echter vooruitgang te boeken op dit gebied, is een betrouwbare opwekking van het magnetische skyrmion op gecontroleerde posities vereist. Een team van onderzoekers, geleid door het Max Born Institute, heeft nu volledige controle op nanometerschaal van de skyrmion-generatie bereikt door twee onafhankelijke benaderingen die gebruik maken van He⁺-ionenbestraling of het gebruik van reflecterende maskers aan de achterkant.

In de afgelopen jaren zijn er grote vorderingen gemaakt bij het genereren, vernietigen en verplaatsen van magnetische skyrmionen in magnetische dunne films. Een belangrijk hulpmiddel om deze magnetische structuren op nano- tot micrometerschaal te onderzoeken, is om ze rechtstreeks in beeld te brengen – met zichtbaar licht of met röntgenstralen. Als we de dynamische eigenschappen samen met ruimtelijke kenmerken willen bestuderen, moeten we een film opnemen die uit veel beeldframes bestaat. Het rechtstreeks opnemen van een skyrmion-film op de relevante tijdschalen van nano- of zelfs picoseconden is echter nauwelijks mogelijk – de acquisitietijd die nodig is voor een enkel frame is meestal te lang.

Dit probleem wordt gewoonlijk opgelost door herhaalde stroboscopische metingen toe te passen – zogenaamde “pomp-sonde-experimenten” – waarbij hetzelfde proces keer op keer wordt herhaald terwijl het wordt afgebeeld. Om dergelijke tijdsopgeloste metingen mogelijk te maken, moet de dynamiek van het magnetische skyrmion controleerbaar en deterministisch zijn. Een team van onderzoekers onder leiding van het Max Born Institute heeft nu twee methoden ontwikkeld om op betrouwbare wijze skyrmions te creëren op de gewenste posities en om hun beweging te begeleiden – essentiële stappen voor het opnemen van video’s van bewegende skymions.

Een eerste methode is gebaseerd op bestraling van de magnetische film die de skyrmionen huisvest met een gefocusseerde helium-ionenstraal om op flexibele wijze patronen van verschillende vormen en maten in het magnetische materiaal te creëren. Belangrijk is dat deze lokale modificatie met zeer lichte ionen alleen de magnetische eigenschappen van het materiaal beïnvloedt terwijl de film structureel intact blijft. Door gebruik te maken van heliumionen, is het mogelijk om vooraf posities te definiëren waar skyrmionen verschijnen nadat ze hun creatie hebben geactiveerd met een korte puls van elektrische stroom of laserlicht (zie figuur 1, waar skyrmionen worden genucleëerd in twee rijen geïsoleerde stippen).

In het bijzonder blijkt de magnetische modificatie zacht genoeg te zijn om zelfs een gecontroleerde loslating van het skyrmion van zijn generatieplaats en de daaropvolgende ongehinderde beweging mogelijk te maken. Bovendien kon het team, door zo’n plek voor het maken van een skyrmion te combineren met een geleidingskanaal, de continue beweging van een magnetisch skyrmion laten zien dat wordt aangedreven door elektrische stroompulsen over tientallen micrometers heen en weer in de zogenaamde magnetische racebaan – waarbij alle ongewenste zijwaartse beweging, die inherent is aan stroomgedreven skyrmionen.

In een tweede benadering om skymion-kiemvormingsplaatsen vooraf te definiëren, ontwierpen de onderzoekers reflecterende maskers met nanopatroon op de achterkant van het magnetische materiaal. Deze maskers maken het mogelijk om de excitatie-amplitudes te regelen die worden bereikt wanneer de magnetische film met een laser wordt geraakt, wat resulteert in precisie op nanometerschaal van de ruimtelijke verdeling van magnetische skyrmionen die zijn gecreëerd (zie figuur 1, waar skyrmionen worden genucleëerd op een vierkant raster).

Omdat de maskers aan de achterkant van de magnetische film tegenover het laserverlichte oppervlak worden voorbereid, behoudt de nadering vrije toegang aan de voorkant tot de magnetische film voor bijvoorbeeld detectie van de skyrmionen. De toepassing van deze backside mask-benadering met zijn ongehinderde toegang tot de magnetische film kan gemakkelijk worden overgedragen naar andere foto-geïnduceerde schakelfenomenen om nanometercontrole op de geschakelde gebieden toe te voegen.

De resultaten van deze onderzoeken, gepubliceerd in Nano-letters en Fysieke beoordeling B, kan ook van invloed zijn op onderzoek naar nieuwe computer- en gegevensopslagconcepten. In de afgelopen decennia hebben we een vraag waargenomen naar steeds grotere dichtheden van gegevensopslag en efficiënte computercapaciteiten, wat een enorme industriële interesse heeft gewekt voor het verkennen van magnetische effecten die op ultrasnelle en ultrakleine schaal actief zijn voor technologische toepassingen. Een mogelijke kandidaat als informatiedrager van de volgende generatie is het magnetische skyrmion. Met het bereikte niveau van controle voor het genereren en bewegen van skyrmion en het potentieel voor nog verdere miniaturisatie, kan de technologie uiteindelijk de weg vrijmaken voor mogelijke toekomstige apparaten, zoals skyrmion racetrack-geheugens, schuifregisters en skyrmion logic gates.