Onderzoek naar de eigenschappen van magnetische nanomozaïeken

Sinds ongeveer tien jaar zijn magnetische skyrmionen – deeltjesachtige, stabiele magnetische wervelingen die zich in bepaalde materialen kunnen vormen en fascinerende eigenschappen bezitten – het onderwerp van onderzoek: eenvoudig elektrisch te besturen en slechts enkele nanometers groot, ze zijn geschikt voor toekomstige toepassingen in spin-elektronica, kwantumcomputers of neuromorfe chips.

Deze magnetische wervelingen werden voor het eerst gevonden in regelmatige roosters, zogenaamde skyrmionroosters, en later werden ook individuele skyrmionen waargenomen aan de Universiteit van Hamburg. Onderzoekers van de Universiteit van Kiel en de Universiteit van Hamburg hebben nu een nieuwe klasse van spontaan optredende magnetische roosters ontdekt.

Ze zijn verwant aan skyrmion-roosters, maar hun “atomaire staafmagneten” op nanometerschaal zijn anders georiënteerd. Een fundamenteel begrip van hoe dergelijke complexe spinstructuren ontstaan, hoe ze zijn gerangschikt en stabiel blijven, is ook nodig voor toekomstige toepassingen. De resultaten zijn gepubliceerd in het huidige nummer van Natuurcommunicatie.

Kwantummechanische interacties

Het bevestigen van magneten aan een koelkast of het uitlezen van gegevens van een harde schijf is alleen mogelijk door een kwantummechanische uitwisselingsinteractie tussen de atomaire staafmagneten op microscopische schaal. Deze interactie, ontdekt door Werner Heisenberg in 1926, verklaart niet alleen de parallelle uitlijning van atomaire staafmagneten in ferromagneten, maar ook het optreden van andere magnetische configuraties, zoals antiferromagneten.

Tegenwoordig zijn er veel andere magnetische interacties bekend, wat heeft geleid tot een verscheidenheid aan mogelijke magnetische toestanden en nieuwe onderzoeksvragen. Dit is ook belangrijk voor skyrmion-roosters. Hier tonen de atomaire staafmagneten in alle ruimtelijke richtingen, wat alleen mogelijk is door de concurrentie van verschillende interacties.

“Tijdens onze metingen vonden we een hexagonale opstelling van magnetische contrasten, en eerst dachten we dat dat ook een skyrmion-rooster was. Pas later werd duidelijk dat het een magnetisch mozaïek op nanoschaal zou kunnen zijn”, zegt PD Dr. Kirsten von Bergmann.

Met haar team van de Universiteit van Hamburg bestudeerde ze experimenteel dunne metaalfilms van ijzer en rhodium met behulp van spin-gepolariseerde scanning tunneling microscopie. Hierdoor kunnen magnetische structuren tot op atomaire schaal worden afgebeeld. De waargenomen magnetische roosters kwamen spontaan voor zoals in een ferromagneet, dwz zonder een aangelegd magnetisch veld.

“Met een magnetisch veld kunnen we de mozaïekroosters omkeren, omdat de tegenovergestelde spins elkaar slechts gedeeltelijk compenseren”, legt Dr. André Kubetzka uit, ook van de Universiteit van Hamburg.

Verrassend: Magnetisch andere uitlijning

Op basis van deze metingen heeft de groep van Prof. Dr. Stefan Heinze (Kiel University) kwantummechanische berekeningen uitgevoerd op de supercomputers van het Noord-Duitse High Performance Computing Network (HLRN). Ze laten zien dat in de onderzochte ijzerfilms het kantelen van de atomaire staafmagneten in een rooster van magnetische wervels, dus in alle ruimtelijke richtingen, zeer ongunstig is. In plaats daarvan wordt de voorkeur gegeven aan een bijna parallelle of antiparallelle uitlijning van naburige atomaire staafmagneten.

“Dit resultaat verraste ons volledig. Een rooster van skyrmionen was dus geen optie meer om de experimentele waarnemingen te verklaren”, zegt Mara Gutzeit, doctoraalonderzoeker en eerste auteur van het onderzoek.

De ontwikkeling van een atomair spinmodel maakte duidelijk dat het een nieuwe klasse van magnetische roosters moet zijn, die de onderzoekers “mozaïekroosters” noemden. “We ontdekten dat deze mozaïekachtige magnetische structuren worden veroorzaakt door uitwisselingsvoorwaarden van hogere orde, die slechts een paar jaar geleden voorspeld waren”, zegt Dr. Soumyajyoti Haldar van de groep van Kiel.

“De studie laat op indrukwekkende wijze zien hoe divers spinstructuren kunnen zijn en dat een nauwe samenwerking tussen experimenteel en theoretisch werkende onderzoeksgroepen echt nuttig kan zijn voor hun begrip. Op dit gebied zijn in de toekomst nog een paar verrassingen te verwachten”, zegt professor Stefan Heinze .