EPFL-forskare har producerat kontrollerbara stabila skyrmioner med hjälp av laserpulser, ta ett steg mot betydligt mer energieffektiva minnesenheter. Verket publiceras i Fysiska granskningsbrev .

En skyrmion är en samling elektronsnurr som ser ut som en virvel i vissa magnetiska material. Skyrmioner kan existera individuellt eller i mönster som kallas gitter. Uppkallad efter den brittiske fysikern Tony Skyrme som först teoretiserade existensen av deras elementarpartikelmotsvarigheter 1962, skyrmioner har uppmärksammats för sin potential att användas i så kallade "spintroniska" enheter, som skulle använda spinn snarare än laddningen av elektroner, blir därmed betydligt mer miniatyriserad och energieffektiv.

Det mesta intresset har fokuserats på minneslagringsteknologier. Skyrmioner kan vara ganska stabila och kräver mycket lite energi för att skriva eller radera dem:vissa studier har visat att skapa och förinta skyrmioner kan vara nästan 10, 000 gånger mer energieffektiv än konventionella datalagringsenheter. Dock, detta skulle kräva ett snabbt och tillförlitligt sätt att kontrollera och manipulera enskilda skyrmioner.

Nu, Fabrizio Carbones och Henrik M. Rønnows labb vid EPFL har kunnat skriva och radera stabila skyrmioner med laserpulser. Forskarna använde en järn-germaniumlegering, som kan ta emot skyrmioner vid cirka 0oC, inte alltför långt från rumstemperatur. Detta är viktigt i sig, eftersom många av dessa fundamentala experiment vanligtvis äger rum vid temperaturer för låga för att någonsin vara kommersiellt meningsfulla.

Forskarna utnyttjade den superkylningseffekt som följer på ett ultrasnabbt temperaturhopp, som i sig induceras i legeringen av en ultrakort laserpuls. Under superkylningen, skyrmioner kan frysas in på platser där de inte skulle förekomma under konventionella jämviktsförhållanden.

De bildande skyrmionerna avbildades med hjälp av tidsupplöst kryogen Lorentz-elektronmikroskopi, som kan "se" magnetiska domänstrukturer och magnetiseringsomkastningsmekanismer i verklig rymd och realtid. Denna teknik är en utveckling av statisk kryoelektronmikroskopi, för vilken Jacques Dubochet vann Nobelpriset i kemi 2017.

"Vad vi gjorde var att applicera en laserpuls på legeringen medan den hölls vid en temperatur och ett yttre magnetfält som normalt förbjuder uppkomsten av skyrmioner, " säger Fabrizio Carbone. "Enskilda skyrmioner sågs dyka upp nära kanterna på provet vid varje ljusblixt. Vidare, när skyrmionerna väl etablerades, genom att justera parametrarna i närheten av övergången mellan att ha skyrmionerna och att inte ha dem längre, laserpulser kan användas för att radera dem via lokal värmeinducerad avmagnetisering."

Forskarna kunde skriva och radera skyrmioner på legeringen inom några hundra nanosekunder till några mikrosekunder. Dock, resultaten föreslår också vägar för att konstruera superkylningshastigheterna för snabbare kontroll av skyrmionerna, ner till pikosekunder.

"Energibarriärerna för att manipulera skyrmioner kan vara mycket små, " säger Carbone. "Detta betyder att, om detta var en minneslagringsenhet, energiförbrukningen uppskattad av våra experiment, där ljusegenskaperna ännu inte var skräddarsydda för att optimera denna parameter, är i området femto-joule (kvadrilliondelar av en joule) per bit, redan jämförbar med de mest energieffektiva prototyperna som finns tillgängliga."

Trots att det är en proof-of-principle-studie, forskarna kunde inte motstå att tänka i termer av tillämpningar. "Vi har faktiskt beräknat energin det kräver, utan någon optimering i vårt experiment, " säger Carbone. "Och vi fann att det redan var på nivån med den minst energikrävande datalagringsenheten hittills. Om det implementeras i enheter, Detta skulle betyda något i stil med din bärbara dators batteri som räcker i ungefär en månad innan den behöver laddas."