Under de senaste åren har spänning har virvlat runt en typ av kvasipartikel som kallas skyrmion som uppstår som ett kollektivt beteende hos en grupp elektroner. Eftersom de är stabila, bara några få nanometer i storlek, och behöver bara små elektriska strömmar för att transportera dem, skyrmions har potential som grund för ultrakompakta och energieffektiva enheter för lagring och bearbetning av information i framtiden.

Nu, en forskargrupp i Singapore har använt datorsimuleringar för att ytterligare undersöka skyrmions beteende, få insikter som kan hjälpa forskare och ingenjörer att bättre studera kvasipartiklarna i experiment. De nya resultaten, publiceras denna vecka i AIP avancerar , kan också leda till skyrmion-baserade enheter som mikrovågs nano-oscillatorer, används i en rad applikationer inklusive trådlös kommunikation, bildsystem, radar och GPS.

"Dess unika egenskaper, till exempel, skulle teoretiskt kunna möjliggöra bärbara datorer med hårddiskar i storleken av jordnötter, och ändå förbrukar lite energi, " sa Meng Hau Kuok från National University of Singapore och en av verkets författare.

Observerad 2009, skyrmioner uppstår från det kollektiva beteendet hos elektroner i magnetiska material under vissa förhållanden. På grund av deras snurr, elektronerna fungerar som små magneter där deras magnetiska poler är i linje med deras snurr. Ett fenomen som kallas Dzyaloshinskii-Moriya-interaktionen (DMI) – som uppstår vid gränssnittet mellan ett magnetiskt lager och en icke-magnetisk metall – lutar snurrarna och arrangerar dem i cirkulära mönster. Dessa cirkulära arrangemang av snurr, som beter sig kollektivt som partiklar, är skyrmioner.

Även om forskare har studerat hur grupper av skyrmioner beter sig, lite är känt om deras interna beteenden, sa Kuok. Särskilt, fysiker förstår inte helt partiklarnas tre grundläggande moder, som är analoga med de grundläggande vibrationslägena hos en gitarrsträng som motsvarar olika musiknoter. Som de där anteckningarna, varje skyrmion-läge är associerat med en viss frekvens.

"Lägena kan ses som cirkulära mönster av snurr som dansar i synk, ", sa Kuok. Att förstå lägena är viktigt för att veta hur partiklarna skulle bete sig.

I ett av lägena, kallas andningsläget, mönstret av snurr omväxlande expanderar och drar ihop sig. I de två andra lägena, det cirkulära arrangemanget av snurr roterar medurs och moturs, respektive.

Forskarna fokuserade på en typ av skyrmion som kallas Néel skyrmion, som finns i ultratunna filmer avsatta på metaller med starkt DMI. Använder en dator, de simulerade hur DMI och externa magnetfält av varierande styrka påverkade partiklarnas lägen och egenskaper. De fann att med samma DMI-styrka, och om i kristallfasen, frekvenserna som motsvarar varje läge beror olika på magnetfältets styrka.

Att öka magnetfältet får också skyrmionerna att ändra fas i förhållande till varandra, från att vara ordnade i ordnade arrayer som en kristall till slumpmässigt fördelade och isolerade. Forskarna fann att de tre lägena reagerar olika på denna fasövergång.

Förvånande, Kuok sa, alla tre lägena kan existera i kristallfasen, medan det medurs rotationsläget inte existerar i den isolerade fasen. En orsak, simuleringarna avslöjade, kan vara att skyrmionerna är längre ifrån varandra i den isolerade fasen än i kristallfasen. Om skyrmionerna är för långt ifrån varandra, då kan de inte interagera. Denna interaktion kan vara nödvändig för rotationsläget medurs, sa Kuok.

Eftersom lägesfrekvenserna för skyrmioner ligger i mikrovågsområdet, kvasipartiklarna skulle kunna användas för nya mikrovågsnano-oscillatorer, som är viktiga byggstenar för integrerade mikrovågskretsar.

En mikrovågs nanooscillator baserad på skyrmioner skulle kunna fungera vid tre resonansfrekvenser, motsvarande de tre lägena. Ett ökande magnetfält skulle sänka resonansfrekvenserna för andningen och medurs roterande lägen i olika takt, men öka resonansfrekvensen för det moturs roterande läget. En sådan skyrmion-baserad enhet skulle vara mer kompakt, stabil, och kräver mindre energi än konventionella, elektronbaserade nano-oscillatorer.

Men innan skyrmioner hittar in i enheter, forskare behöver fortfarande konstruera sina specifika önskade egenskaper, som storlek, och justera deras dynamiska egenskaper exakt. "Våra resultat kan ge teoretiska insikter om hur man hanterar dessa utmaningar, " sa Kuok.