Magnetiska skyrmioner är små enheter, manifesteras i magnetiska material som består av lokala vridningar i mediets magnetiseringsriktning. Varje skyrmion är mycket stabil eftersom att eliminera den kräver att materialets magnetiseringsriktning vänds upp, precis som en knut på ett snöre bara kan lossas genom att dra ut resten av snöret ur knuten. Magnetiska skyrmioner är en lovande kandidat för nästa generations magnetiska lagringsenheter på grund av deras stabilitet och liten storlek - med bredder på 50 nanometer eller mindre, de upptar bara en bråkdel av arean av magnetiska bitar i nuvarande hårddiskar. Av denna anledning, forskare har intensivt letat efter material som kan innehålla magnetiska skyrmioner, och studera deras elektriska och magnetiska egenskaper.

Nyligen, ett viktigt genombrott för att förstå beteendet hos magnetiska skyrmioner har meddelats av ett team av forskare i Singapore och Israel. De har visat, för första gången, att närvaron av magnetiska skyrmioner är otvetydigt kopplad till ett fenomen som kallas den topologiska Hall-effekten, som beskriver hur elektriska strömmar avleds av ett framträdande magnetfält hos en skyrmion. Verket publicerades i mars 2019 i tidskriften Naturkommunikation .

Teamet studerade ett syntetiskt nanomaterial optimerat för att vara värd för magnetiska skyrmioner, består av på varandra följande lager av iridium, järn, kobolt, och platina, var och en har en tjocklek på en nanometer eller mindre. Under 2017, samma nanomaterial hade gett de tidigaste bevisen för den topologiska Hall-effekten vid rumstemperatur, observerad av forskargruppen Christos Panagopoulos vid Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), som också ledde detta arbete. Professor Panagopoulos och hans medarbetare visade att nanomaterialets Hall-resistivitet - förhållandet mellan tvärspänning och elektrisk ström i närvaro av ett magnetfält - innehöll anomalier som var svåra att förklara förutom genom effekten av magnetiska skyrmioner.

"Det intressanta med hur skyrmioner påverkar Hall-resistiviteten är att det beror på hur magnetiseringen vrider sig runt varje skyrmion, " förklarar Panagopoulos. "Matematiskt, sådana vändningar kallas "topologiska" egenskaper, vilket är anledningen till att det fysiska fenomenet kallas den 'topologiska Hall-effekten'."

Dock, vissa aspekter av 2017 års experiment var fortfarande svåra att förklara. Datan tycktes indikera att anomalierna i Hall-resistiviteten var 100 gånger större än teoretiska förutsägelser baserade på den topologiska Hall-effekten. För att upprätta en bestämd anslutning, de elektriska mätningarna behövde noggrant matchas med direkta observationer av magnetiska skyrmioner. För att åstadkomma detta, Panagopoulos-gruppen samarbetade med Ophir Auslaender-laboratoriet vid Technion, Israel Institute of Technology. Med hjälp av ett toppmodernt lågtemperaturmikroskop för magnetisk kraft, Auslaender-gruppen fick mycket exakta bilder av skyrmionerna i nanomaterialet. I synnerhet, de fann att vissa "maskliknande" magnetiseringsmönster bildades av flera skyrmioner sammanfogade.

Genom att kombinera elektriska Hall-mätningar och magnetisk avbildning, samarbetet lyckades avsevärt minska diskrepansen mellan teori och experiment. "Det första vi insåg var att antalet magnetiska skyrmioner hade underskattats med en faktor tio, " säger M. Raju, en forskare vid NTU som är en av huvudförfattarna till studien. "Gräver djupare, vi kunde visa att antalet magnetiska skyrmioner är direkt proportionell mot den topologiska Hall-resistiviteten. Detta ger avgörande bevis för att skyrmionerna är ansvariga, inte något annat oförklarat fenomen."

Trots detta framsteg, Professor Panagopoulos noterar att den topologiska Hall-resistiviteten förblir högre än vad teorin förutspår, och föreslår att den återstående diskrepansen kan vara en fråga om teoretiska begränsningar. "Det topologiska Hall-effektkonceptet är baserat på antaganden, såsom adiabaticitet, som är teoretiskt bekväma men kanske inte är korrekta för verkliga material, " noterar han. "Med hjälp av dessa förbättrade experimentella metoder, vi bygger en mer sofistikerad förståelse för hur elektriska laddningar interagerar med magnetiskt spinn i dessa viktiga och tekniskt lovande material."