Kredit:Tohoku University
Materia beter sig annorlunda när den är liten. På nanoskala, elektrisk ström skär genom berg av partiklar, snurra dem till virvlar som kan användas avsiktligt i kvantberäkning. Partiklarna ordnar sig i en topologisk karta, men linjerna suddas ut när elektroner smälter samman till oskiljbara kvasipartiklar med skiftande egenskaper. Tricket är att lära sig hur man kontrollerar sådana föränderliga material.
För första gången, forskare har tagit en mikroskopisk titt på denna process. Det internationella laget har nu publicerat sina resultat den 11 juli, 2019 i Kommunikationsfysik , a Natur tidning.
I vissa ledande material, såsom mangankisel (MnSi), kvasipartiklarna kan ackumuleras till en magnetisk skyrmion med en virvelliknande form och rörelse. Skyrmionen skapar ett gitter av anslutningspunkter inom MnSi-kristallen.
"Magnetiska skyrmioner har väckt intresse på grund av potentialen för spintronics-tillämpningar, sa Taku Sato, studieförfattare och professor vid Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials vid Tohoku University.
Spintronik hänvisar till teoretisk elektronik som inte bara förlitar sig på laddningstillståndet för en ström, men också på elektronernas egenskaper för att överföra och lagra kvantinformation.
"Det första steget för att realisera sådana spintroniska tillämpningar av skyrmioner kan vara elektrisk strömkontroll av skyrmionflödet, " Sato sa. "När skapad, skyrmionen kan nästan aldrig förintas. Det kopplar också starkt till elektriskt strömflöde, vilket innebär att det krävs väldigt lite ström för att flytta systemet."
Schematisk illustration av de magnetiska skyrmionerna i MnSi. Pilar står för magnetiska ögonblick i MnSi. Röda pilar indikerar att motsvarande moment har negativa komponenter utanför planet, medan blåa är positiva. Kredit:D. Okuyama, Tohoku universitet
Magnetiska reflektioner från skyrmiongittret i MnSi. Kredit:D. Okuyama, Tohoku universitet
Forskare spekulerar i att det magnetiska skyrmiongittret rör sig i samma riktning som den applicerade elektriska strömriktningen. Nära provkanten, den plastiska deformationen av magnetisk skyrmiongittret äger rum, vilket resulterar i det motroterande beteendet hos de magnetiska skyrmionreflektionerna. Kredit:D. Okuyama, Tohoku universitet
För att förstå hur elektrisk ström påverkar de magnetiska skyrmionförändringarna under en elektrisk ström, forskarna använde en metod som kallas neutronspridning med liten vinkel. De drev en neutronstråle genom en MnSi-kristall, får skyrmionpartiklarna att reagera - neutronerna sprider sig bokstavligen mot och runt komponenterna i skyrmionsystemet. Hur de sprider sig berättar forskarna om systemet.
I detta fall, forskarna såg att gitterstrukturen hos skyrmion var deformerad, vilket får skyrmionens virvelrörelse att förändras. De såg också att kanterna på skyrmion var avsevärt störda, nästan som om den trycker mot sig själv. Sato tillskriver detta till vad han kallade "nålade kanter". Skyrmionen kan pressa sig mot sina yttersta gränser, orsakar friktion.
"En sådan friktionseffekt har inte rapporterats hittills såvitt vi känner till, " Sato sa. "Det är grundläggande nyckelinformation för den realistiska spintronics-enhetsdesignen som använder magnetiska sykrmioner."
Sato och hans team planerar att ytterligare undersöka dynamiken hos magnetiska skyrmioner med det slutliga målet att utveckla spintroniska enheter.
