Små magnetiska virvlar som kan uppstå i material - så kallade skyrmioner - lovar höga löften för nya elektroniska enheter eller magnetiskt minne där de används som bitar för att lagra information. En grundläggande förutsättning för alla tillämpningar är stabiliteten hos dessa magnetiska virvlar. En forskargrupp från Institutet för teoretisk fysik och astrofysik vid Kiel University har nu visat att försummade magnetiska interaktioner hittills kan spela en nyckelroll för skyrmions stabilitet och kan drastiskt förbättra skyrmions livslängd. Deras arbete, som har publicerats idag i Naturkommunikation , öppnar också perspektivet att stabilisera skyrmioner i nya materialsystem där de tidigare övervägda mekanismerna inte är tillräckliga.

Intensiv forskning om stabilitet vid rumstemperatur

Deras unika magnetiska struktur - närmare bestämt deras topologi - ger stabilitet till skyrmioner och skyddar dem från kollaps. Därför, skyrmioner betecknas som knutar i magnetiseringen. Dock, på ett fast ämnes atomgitter är detta skydd ofullkomligt och det finns bara en ändlig energibarriär (Figur 1). "Situationen är jämförbar med en marmor som ligger i ett tråg som alltså behöver en viss drivkraft, energi, att fly från det. Ju större energibarriären är, ju högre temperaturen är vid vilken skyrmion är stabil, " förklarar professor Stefan Heinze från Kiel University. Speciellt skyrmioner med diametrar under 10 nanometer, som behövs för framtida spinelectronic enheter, har hittills bara upptäckts vid mycket låga temperaturer. Eftersom applikationer vanligtvis är i rumstemperatur är förbättringen av energibarriären ett nyckelmål i dagens forskning om skyrmioner.

Tidigare, en standardmodell av relevanta magnetiska interaktioner som bidrar till barriären har upprättats. Ett team av teoretiska fysiker från professor Stefan Heinzes forskargrupp har nu visat att en typ av magnetiska interaktioner hittills har förbisetts. På 1920-talet kunde Werner Heisenberg förklara förekomsten av ferromagnetism genom den kvantmekaniska utbytesinteraktionen som är resultatet av det spinnberoende "hoppandet" av elektroner mellan två atomer. "Om man betraktar elektronen som hoppar mellan fler atomer, högre ordningens utbytesinteraktioner inträffar, " säger Dr Souvik Paul, första författaren till studien (Figur 2). Dock, dessa interaktioner är mycket svagare än det parvisa utbyte som Heisenberg föreslagit och försummades därför i forskningen om skyrmioner.

Svaga utbytesinteraktioner av högre ordning stabiliserar skyrmioner

Baserat på atomistiska simuleringar och kvantmekaniska beräkningar utförda på superdatorerna från North-German Supercomputing Alliance (HLRN) har forskarna från Kiel nu förklarat att dessa svaga interaktioner fortfarande kan ge ett förvånansvärt stort bidrag till skyrmions stabilitet. Speciellt det cykliska hoppet över fyra atomära platser (se röda pilar i fig. 2) påverkar energin i övergångstillståndet utomordentligt starkt (se fig. 1 högsta punkten uppe till höger), där endast ett fåtal atomstångsmagneter lutar mot varandra. Till och med stabila antiskyrmioner hittades i simuleringarna som är fördelaktiga för vissa framtida datalagringskoncept men som vanligtvis sönderfaller för snabbt.

Utbytesinteraktioner av högre ordning förekommer i många magnetiska material som används för potentiella skyrmionapplikationer som kobolt eller järn. De kan också stabilisera skyrmioner i magnetiska strukturer där de tidigare övervägda magnetiska interaktionerna inte kan inträffa eller är för små. Därför, denna studie öppnar nya lovande vägar för forskningen om dessa fascinerande magnetiska knutar.