Nanostructuren met een unieke eigenschap

Nanoschaalwervelingen die bekend staan ​​als skyrmions kunnen in veel magnetische materialen worden gecreëerd. Voor het eerst zijn onderzoekers van PSI erin geslaagd antiferromagnetische skyrmions te creëren en te identificeren met een unieke eigenschap: kritieke elementen erin zijn in tegengestelde richtingen gerangschikt. Wetenschappers zijn erin geslaagd dit fenomeen te visualiseren met behulp van neutronenverstrooiing. Hun ontdekking is een belangrijke stap in de richting van het ontwikkelen van potentiële nieuwe toepassingen, zoals efficiëntere computers. De resultaten van het onderzoek worden vandaag in het tijdschrift gepubliceerd Natuur.

Of een materiaal magnetisch is, hangt af van de spins van zijn atomen. De beste manier om aan spins te denken, is als staafmagneten. In een kristalstructuur waar de atomen vaste posities in een rooster hebben, kunnen deze spins kriskras worden gerangschikt of allemaal parallel worden uitgelijnd zoals de speren van een Romeins legioen, afhankelijk van het individuele materiaal en de toestand ervan.

Onder bepaalde omstandigheden is het mogelijk om minuscule draaikolken te genereren binnen het corps van spins. Deze staan ​​bekend als skyrmions. Wetenschappers zijn vooral geïnteresseerd in skyrmions als een sleutelcomponent in toekomstige technologieën, zoals efficiëntere gegevensopslag en -overdracht. Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als geheugenbits: een skyrmion zou de digitale kunnen vertegenwoordigen, en het ontbreken ervan een digitale nul. Omdat skyrmions aanzienlijk kleiner zijn dan de bits die in conventionele opslagmedia worden gebruikt, is de datadichtheid veel hoger en mogelijk ook energiezuiniger, terwijl lees- en schrijfbewerkingen ook sneller zouden zijn. Skyrmions zouden daarom nuttig kunnen zijn bij zowel klassieke gegevensverwerking als bij geavanceerde quantumcomputers.

Een ander interessant aspect voor de toepassing is dat skyrmions in veel materialen kunnen worden gemaakt en gecontroleerd door een elektrische stroom aan te leggen. “Met bestaande skyrmions is het echter lastig om ze systematisch van A naar B te verplaatsen, omdat ze vanwege hun inherente eigenschappen vaak afwijken van een recht pad”, legt Oksana Zaharko, onderzoeksgroepleider bij PSI, uit.

In samenwerking met onderzoekers van andere instellingen hebben Dr. Zaharko en haar team nu een nieuw type skyrmion gecreëerd en een uniek kenmerk aangetoond: in hun interieur zijn kritische spins in tegengestelde richtingen gerangschikt. De onderzoekers omschrijven hun skyrmionen daarom als antiferromagnetisch.

In een rechte lijn van A naar B

“Een van de belangrijkste voordelen van antiferromagnetische skyrmions is dat ze veel eenvoudiger te besturen zijn: als er elektrische stroom wordt aangelegd, bewegen ze zich in een eenvoudige rechte lijn”, zegt Zaharko. Dit is een groot voordeel: om skyrmions geschikt te maken voor praktische toepassingen, moeten ze selectief kunnen worden gemanipuleerd en gepositioneerd.

De wetenschappers creëerden hun nieuwe type skyrmion door ze te fabriceren in een aangepast antiferromagnetisch kristal. Zaharko legt uit: “Antiferromagnetisch betekent dat aangrenzende spins in een antiparallelle opstelling zijn, met andere woorden de ene naar boven en de andere naar beneden gericht. Dus wat aanvankelijk werd waargenomen als een eigenschap van het materiaal, identificeerden we vervolgens ook binnen de individuele skyrmions.”

Er zijn nog verschillende stappen nodig voordat antiferromagnetische skyrmions volwassen genoeg zijn voor een technologische toepassing: PSI-onderzoekers moesten het kristal afkoelen tot ongeveer minus 272 graden Celsius en een extreem sterk magnetisch veld van drie tesla toepassen – ongeveer 100.000 keer de sterkte van de magnetische aarde van de aarde. veld.

Neutronenverstrooiing om de skyrmions te visualiseren

En de onderzoekers moeten nog individuele antiferromagnetische skyrmions creëren. Om de kleine wervelingen te verifiëren, gebruiken de wetenschappers de Zwitserse Spallation Neutron Source SINQ bij PSI. “Hier kunnen we skyrmions visualiseren met behulp van neutronenverstrooiing als we er veel in een regelmatig patroon in een bepaald materiaal hebben”, legt Zaharko uit.

Maar de wetenschapper is optimistisch: “Mijn ervaring is dat als het ons lukt om skyrmions in een regelmatige uitlijning te creëren, iemand binnenkort zal slagen om zulke skyrmions individueel te creëren.”

De algemene consensus in de onderzoeksgemeenschap is dat zodra individuele antiferromagnetische skyrmions kunnen worden gecreëerd bij kamertemperatuur, een praktische toepassing niet ver weg zal zijn.