Nieuwe snelkoppeling maakt het mogelijk om sneller een spinpatroon in de magneet te maken

Natuurkundigen hebben een veel snellere benadering ontdekt om een ​​patroon van spins in een magneet te creëren. Deze snelkoppeling opent een nieuw hoofdstuk in topologieonderzoek. Deze ontdekking biedt ook een aanvullende methode om een ​​efficiëntere magnetische gegevensopslag te bereiken. Het onderzoek verschijnt op 5 oktober in Natuurmaterialen.

Natuurkundigen hebben eerder aangetoond dat laserlicht een patroon van magnetische spins kan creëren. Nu hebben ze een nieuwe route ontdekt waarmee dit veel sneller kan, in minder dan 300 picoseconden (een picoseconde is een miljoenste van een miljoenste van een seconde). Dit gaat veel sneller dan voorheen voor mogelijk werd gehouden.

Handig voor gegevensopslag: skyrmions

Magneten bestaan ​​uit veel kleine magneten, die spins worden genoemd. Normaal gesproken wijzen alle spins in dezelfde richting, die de noord- en zuidpool van de magneet bepaalt. Maar de richtingen van de spins samen vormen soms vortex-achtige configuraties die bekend staan ​​als skyrmions.

“Deze skyrmions in magneten zouden kunnen worden gebruikt als een nieuw type gegevensopslag”, legt Johan Mentink, natuurkundige aan de Radboud Universiteit, uit. Radboud-wetenschappers zijn al een aantal jaren op zoek naar optimale manieren om magnetisme met laserlicht te beheersen en uiteindelijk te gebruiken voor efficiëntere dataopslag. Bij deze techniek worden zeer korte lichtpulsen afgevuurd op een magnetisch materiaal. Dit keert de magnetische spins in het materiaal om, die een beetje veranderen van een 0 naar een 1.

“Zodra de magnetische spins de vortex-achtige vorm van een skyrmion aannemen, is deze configuratie moeilijk uit te wissen”, zegt Mentink. “Bovendien zijn deze skyrmionen maar een paar nanometer (een miljardste van een meter) groot, dus je kunt heel veel data op een heel klein stukje materiaal opslaan.”

Snelkoppeling

De faseovergang tussen deze twee toestanden in een magneet – alle spins wijzen in één richting naar een skyrmion – is vergelijkbaar met een weg over een hoge berg. De onderzoekers hebben ontdekt dat je een kortere weg door de berg kunt maken door het materiaal heel snel op te warmen met een laserpuls. Daardoor wordt de drempel voor de faseovergang zeer kort lager.

Een opmerkelijk aspect van deze nieuwe benadering is dat het materiaal eerst in een zeer chaotische toestand wordt gebracht, waarin de topologie – die kan worden gezien als het aantal skyrmionen in het materiaal – sterk fluctueert. De onderzoekers ontdekten deze aanpak door röntgenstraling gegenereerd door de Europese vrije-elektronenlaser in Hamburg te combineren met extreem geavanceerde elektronenmicroscopie en spindynamica-simulaties. “Dit onderzoek vergde dus een enorme teaminspanning”, zegt Mentink.

Nieuwe mogelijkheden

Deze fundamentele ontdekking heeft een nieuw hoofdstuk geopend in topologieonderzoek. Mentink verwacht dat nu veel meer wetenschappers op zoek zullen gaan naar vergelijkbare manieren om ‘een shortcut door de berg te nemen’ in andere materialen.

Deze ontdekking maakt ook nieuwe benaderingen mogelijk om snellere en efficiëntere gegevensopslag te creëren. Hier is steeds meer behoefte aan, bijvoorbeeld vanwege de gigantische, energieverslindende datacenters die nodig zijn voor massale dataopslag in de cloud. Magnetische skyrmions kunnen een oplossing bieden voor dit probleem. Omdat ze erg klein zijn en heel snel met licht kunnen worden aangemaakt, kan in potentie veel informatie heel snel en efficiënt op een klein gebied worden opgeslagen.