Fig. 1:Illustration av en magnetisk skyrmion med en diameter på endast några nanometer i en atomärt tunn koboltfilm. De små färgade kottarna representerar "atommagneterna" för varje koboltatom. Kredit:S. Meyer, Uni Kiel
Sedan deras experimentella upptäckt, magnetiska skyrmioner – små magnetiska knutar – har flyttat in i forskningens fokus. Forskare från Hamburg och Kiel har nu kunnat visa att enskilda magnetiska skyrmioner med en diameter på bara några nanometer kan stabiliseras i magnetiska metallfilmer även utan ett externt magnetfält. De rapporterar om sin upptäckt i journalen Naturkommunikation .
Förekomsten av magnetiska skyrmioner som partikelliknande föremål förutspåddes för 30 år sedan av teoretiska fysiker, men kunde endast bevisas experimentellt 2013. Skyrmioner med en diameter från mikrometer till några nanometer upptäcktes i olika magnetiska materialsystem. Även om de kan genereras på en yta av ett fåtal atomer och manipuleras med elektriska strömmar, de visar en hög stabilitet mot yttre påverkan. Detta gör dem till potentiella kandidater för framtida datalagring eller logiska enheter. För att vara konkurrenskraftig för tekniska tillämpningar, dock, skyrmioner får inte bara vara väldigt små, men också stabil utan pålagt magnetfält.
Forskare vid universiteten i Hamburg och Kiel har nu tagit ett viktigt steg i denna riktning. På grundval av kvantmekaniska numeriska beräkningar utförda på superdatorerna från North-German Supercomputing Alliance (HLRN), fysikerna från Kiel kunde förutsäga att individuella skyrmioner med en diameter på bara några nanometer skulle uppträda i en atomär tunn, ferromagnetisk koboltfilm (se fig. 1). "Stabiliteten hos de magnetiska knutarna i dessa filmer beror på en ovanlig konkurrens mellan olika magnetiska interaktioner, säger Sebastian Meyer, Ph.D. student i Prof. Stefan Heinzes forskargrupp vid universitetet i Kiel.
Fig. 2:Scanning tunneling mikroskopi mätning av provytan, en magnetisk skyrmion kan här kännas igen som en gyllene ring. Kredit:A. Kubetzka, Universität Hamburg
Denna förutsägelse bekräftades sedan av Hamburg-forskare runt Dr. Kirsten von Bergmann med hjälp av högupplöst scanning tunnelmikroskopi. Lågtemperaturmätningarna av Marco Perini, Ph.D. student i forskargruppen för Prof. Dr. Roland Wiesendanger, visa magnetiska skyrmioner i de preparerade koboltfilmerna utan att ett externt magnetfält behöver appliceras (se fig. 2). "Än så länge, individuella skyrmioner har nästan alltid genererats av magnetfält. I våra metallfilmer uppstår skyrmionerna spontant, " förklarar Kirsten von Bergmann. "För framtida tillämpningar inom spinnelektronik måste skyrmionerna inte bara vara stabila vid extremt låga temperaturer, som i de undersökta metallfilmerna, men även vid omgivningstemperatur. För att förverkliga detta nästa steg mot ansökan, konkurrensen mellan olika magnetiska interaktioner som finns här kan ge ett stort bidrag."
