Wetenschappers bestuderen het gedrag van chirale skyrmionen in chirale bloemachtige obstakels

In de natuur kan de collectieve beweging van sommige vogels en vissen, zoals respectievelijk zwermen spreeuwen en scholen sardines, indrukwekkende dynamische verschijnselen genereren. Hun studie vormt actieve materiewetenschap, een onderwerp dat de afgelopen dertig jaar van groot belang is geweest.

De unieke collectieve dynamiek van actieve materie wordt bepaald door de beweging van elke individuele entiteit, de interacties daartussen, evenals hun interactie met de omgeving.

Recente onderzoeken tonen aan dat sommige zichzelf voortbewegende moleculen en bacteriën cirkelvormige bewegingen vertonen met een vaste chiraliteit (de eigenschap van een object waarbij het niet via een willekeurig aantal rotaties of translaties op zijn spiegelbeeld kan worden gesuperponeerd), wat de selectie van moleculen en bacteriën met specifieke chiraliteit op basis van hun dynamiek. Er is echter een gebrek aan onderzoek naar actieve materie-achtige objecten in niet-biologische magnetische en ferro-elektrische materialen voor toepassingen in elektronische apparaten.

In dit opzicht zijn chirale skyrmionen veelbelovend. Het zijn een speciaal soort spintexturen in magnetische materialen met asymmetrische uitwisselingsinteracties, die kunnen worden behandeld als quasideeltjes. Ze dragen topologische ladingen met gehele getallen en hebben een vaste chiraliteit van +1 of -1.

Onlangs heeft een groep wetenschappers, onder leiding van professor Masahito Mochizuki van de afdeling Toegepaste Natuurkunde van de Waseda Universiteit en onder wie Dr. Xichao Zhang van de Waseda Universiteit en professor Xiaoxi Liu van de Shinshu Universiteit, het gedrag van actieve materie van chirale skyrmionen uitgebreid bestudeerd. Hun papier is gepubliceerd in het journaal Nano-brieven.

In deze studie plaatsten de wetenschappers chirale skyrmionen binnen chirale nanostructuurobstakels in de vorm van een eenvoudige chirale bloem. Vervolgens bestudeerden ze de willekeurige loopdynamiek van het thermisch geactiveerde skyrmion dat interageert met het chirale bloemachtige obstakel in een ferromagnetische laag, wat topologie-afhankelijke resultaten zou kunnen creëren.

“Ons onderzoek toont voor het eerst aan dat magnetische chirale skyrmionen actief materie-achtig gedrag vertonen, ook al zijn ze van niet-biologische oorsprong en zelfs louter ontastbare ruimtelijke patronen”, zegt prof. Mochizuki.

Het skyrmion met een chiraliteit van -1 heeft het potentieel om een ​​linker chirale bloem achter te laten, en het skyrmion met een chiraliteit van +1 heeft het potentieel om een ​​rechter chirale bloem achter te laten. De onderzoekers voerden een reeks simulaties uit om te observeren hoe skyrmionen zich in beide gevallen zouden gedragen bij verschillende temperaturen: 100 K, 150 K, 180 K en 200 K.

Ze stelden de simulatietijd in op 500 ns, met een tijdstap van 0,5 ns. Het team ontdekte dat, afhankelijk van de combinatie van variabelen, de skyrmion binnen het obstakel blijft of eraan ontsnapt. Omdat de beweging van het skyrmion het gevolg is van temperatuurafhankelijke Brownse beweging, die wanordelijk van aard is, is dit een interessant geval van het verkrijgen van een ordelijk resultaat door middel van ongeordende beweging. Dit systeem kan met name worden gebruikt om een ​​topologisch sorteerapparaat te ontwikkelen.

Gevraagd naar de implicaties van hun werk op de lange termijn, merkt prof. Liu op: “Onze onderzoeksresultaten kunnen nuttig zijn voor het bouwen van toekomstige informatieverwerkings- en computerapparatuur met een hoge opslagdichtheid en een laag stroomverbruik.”

“Op de lange termijn kunnen ze richtlijnen bieden voor het ontwerp en de ontwikkeling van niet-conventionele elektronische en spintronische hardware, waarbij de informatie wordt gedragen door topologische spintexturen in nanostructuren. Verwacht wordt dat deze prestatie de levens van mensen zal verbeteren zoals ze dat zouden kunnen doen.” informatie op een energie-efficiënte manier verwerken, wat leidt tot een groenere samenleving”, besluit Dr. Zhang.