Illustrationen visar skyrmioner i ett av deras Eigen-lägen (medurs). Kredit:Yotta Kippe/HZB
Cu 2 OSeO 3 är ett material med ovanliga magnetiska egenskaper. Magnetiska spinnvirvlar, kända som skyrmioner, bildas inom ett visst temperaturintervall när de är i närvaro av ett litet externt magnetfält. För närvarande, måttligt låga temperaturer på runt 60 Kelvin (-213 grader Celsius) krävs för att stabilisera sin fas, men det verkar möjligt att flytta detta temperaturintervall till rumstemperatur. Det spännande med skyrmioner är att de kan sättas i rörelse och kontrolleras väldigt lätt, vilket ger nya möjligheter att minska den energi som krävs för databehandling.
Teoretiskt arbete hade förutspått att det borde vara möjligt att använda ett högfrekvent elektriskt fält för att excitera en grupp skyrmioner i provet så att deras kärnor kommer att rotera tillsammans, synkront som en fisksvärm, medurs eller moturs, eller alternativt kan de till och med uppvisa en "andningsrörelse".
Nu har ett team lyckats mäta dynamiken hos dessa skyrmioner i detalj för första gången med hjälp av ett enkristallprov av Cu 2 OSeO 3 . "Konventionella laboratoriemetoder som ferromagnetisk resonans, kan inte detektera direkt avböjning av spinnen i skyrmionfasen och är därför inte lämpliga för att selektivt observera deras excitationer. Därför, vi var tvungna att hitta på något nytt, " förklarar Prof. Christian Back, från Münchens tekniska universitet.
Teamet lyckades på BESSY II med att kombinera en spin-resolving-metod med ett externt mikrovågsfält. "Den resonansmagnetiska spridningstekniken i kombination med magnetiska vektoriella yttre fält visar var spinnen finns i gittret och hur de är orienterade i rymden, och alla dessa för varje elementär spinnart som kan finnas i provet, " förklarar Dr Florin Radu, vid Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), en fysiker som utvecklade och satte upp VEKMAG-ändstationen i samarbete med partners från Universität Regensburg, Ruhr University Bochum, och Freie Universität Berlin. Byggandet och den fortsatta utvecklingen av VEKMAG-stationen stöds av det tyska förbundsministeriet för utbildning och forskning (BMBF) och HZB.
Genom att använda elektriskt fältinducerad ferromagnetisk resonansexcitation och registrera röntgenintensiteten för en så kallad Bragg-topp, forskargruppen demonstrerade experimentellt för första gången att alla tre karakteristiska oscillationslägen förekommer i Cu 2 OSeO 3 -teamet observerade magnetiska skyrmioner som vrids medurs, moturs, och att expandera och dra ihop sig ("andningsläge"). Dessa lägen kan växlas och vändas genom att ändra frekvensen för mikrovågsfältet:Varje dynamiskt läge uppnås för en viss frekvens, vilket vidare beror på det externa magnetfältet såväl som på andra inre parametrar hos provet. "Detta är ett första steg mot fasspecifik karaktärisering av kontrollerad skyrmions gyrationsrörelse, säger Radu.
