Skyrmioner – små magnetiska virvlar – anses vara lovande kandidater för morgondagens informationsminnesenheter som kanske kan uppnå enorma datalagrings- och bearbetningskapaciteter. En forskargrupp ledd av Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) har utvecklat en metod för att odla ett speciellt magnetiskt tunnfilmsmaterial som är värd för dessa magnetiska virvlar. En central aspekt av denna nya metod är den abrupta uppvärmningen av materialet med korta, mycket ljusa ljusglimtar, som det internationella laget, bestående av forskare från HZDR, Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden, TU Dresden (TUD), och kinesiska partners, beskriver i journalen Avancerade funktionella material .

År 2009, ett forskarlag hade gjort en anmärkningsvärd upptäckt:De fann att små magnetiska virvlar kan bildas i ett material som kallas mangansilicid - en legering av mangan och kisel. Sedan dess, dessa skyrmioner, uppkallad efter den brittiske fysikern Tony Skyrme, har ansetts vara lovande kandidater för framtida magnetiska lagringsenheter. De kan lätt formas på och raderas från ytor och är inte större än några nanometer (miljarddelar av en meter), vilket gör dem mycket mindre än de magnetiska bitarna på dagens hårddiskar som mäter cirka 50 nanometer.

"Dessutom, skyrmioner kan målinriktas bättre med elektricitet än med magnetfält, som man gör med nuvarande hårddiskar, " förklarar Dr. Shengqiang Zhou, en fysiker vid HZDR:s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. "Inriktning med en elektrisk ström gör att vi kan uppnå bättre skalbarhet, vilket kanske gör det möjligt för oss att bygga mycket tätare och snabbare lagringsenheter i framtiden." Men det finns fortfarande några hinder att övervinna på vägen. Bl.a. kisel och mangan har en ogynnsam egenskap när de bildar kristaller av mangansilicid:Istället för att konsekvent producera en specifik, väldefinierad fas, de två elementen kan bilda många olika kristallfaser. Tunna filmer av en Mn-Si-legering, känd som B20-fasen, är särskilt lämpliga för bildandet av skyrmioner.

Oönskade kristallfaser

Att tillverka denna legering är allt annat än enkelt, fastän, eftersom en annan oönskad kristallfas, kallas MnSi1.7, oundvikligen bildas under produktionsprocessen, hindra eller förhindra bildandet av skyrmioner. Specifikt, lägre temperaturer och långsammare kylning av materialet gynnar MnSi1.7. Shengqiang Zhous team har nu utvecklat en metod som förhindrar att den bildas, lämnar endast tunna lager av felfri B20-MnSi.

Kärnelementet i den nya processen är en speciell värmebehandling. "Det är lite som att göra en pannkaka, " Zhou förklarar. "Det smakar bäst när det är krispigt på utsidan och så mjukt som möjligt på insidan." När du häller smeten i en het panna, den bakar så snabbt att insidan håller sig mjuk och fin. När du gräddar smeten i ugnen, dock, den värms upp mycket jämnare och stelnar överallt — och du får en ganska medioker pannkaka.

Uppvärmning med blixtar

Så experterna använde denna pannkaksstrategi med snabb, intensiv uppvärmning som deras modell. "När vi värmer en tunn manganfilm placerad ovanpå en kiselwafer väldigt kort, vi introducerar väldigt lite energi i materialet, " Zhou förklarar deras motivering. "Detta betyder att det kommer att svalna snabbt - så snabbt, faktiskt, att den oönskade MnSi1.7 inte hinner bildas." Utmaningen är hur man kan värma upp något snabbt och kraftfullt samtidigt. Forskargruppen hittade lösningen i ljus, intensiva blixtar av vitt ljus.

Sådana blixtar kan genereras på "BlitzLab, " ett Helmholtz Innovation Lab beläget på Rossendorf campus. Olika serier av mätningar bekräftade antagandet:"Genom att variera kraften hos blixtarna, vi kunde justera förhållandet mellan de olika kristallfaserna med stor precision, " rapporterar Shengqiang Zhou. "När vi tillämpade relativt starka krafter, tunna filmer av rent B20-MnSi bildades som vi hade hoppats."

Som ett resultat, de skyrmioner som kan genereras i dessa lager är nu stabila över ett mycket bredare temperatur- och magnetfältsområde än vad som tidigare observerats i detta material. Mangansilicid i sig är osannolikt lämplig för praktisk användning eftersom den bara fungerar vid mycket låga temperaturer. Men det kan fungera som en viktig modell för andra, mer praktiskt material. "Många legeringar utgör problemet att de har olika faser, Zhou förklarar. "Och vårt tillvägagångssätt kan hjälpa till att skilja dessa faser åt i framtiden."