Skyrmionerna skapas i en avsättningskammare med ultrahögt vakuum:Med hjälp av sputterdeponeringsteknik, ett team av Empa-forskare har lyckats producera urskiljbara skyrmioner inom finstämda, ultratunna metallskikt vid rumstemperatur. Bild:Empa
De magnetiska interaktionerna mellan atomer i små skalor kan skapa unika tillstånd som skyrmioner. Skyrmioner har speciella egenskaper och kan förekomma i vissa materialsystem, såsom en "stapel" av olika subnanometertjocka metallskikt. Modern datorteknik baserad på skyrmioner – som bara är några nanometer stora – lovar att möjliggöra ett extremt kompakt och ultrasnabbt sätt att lagra och bearbeta data.
Som ett exempel, ett koncept för datalagring med skyrmioner skulle kunna vara att bitarna 1 och 0 representeras av närvaron och frånvaron av en given skyrmion. Detta koncept skulle alltså kunna användas i "racetrack"-minnen. Dock, det är en förutsättning att avståndet mellan skyrmion för värdet 1 och skyrmiongapet för värdet 0 förblir konstant vid rörelse under datatransporten, annars kan stora fel uppstå.
Som ett bättre alternativ, skyrmioner med olika storlekar kan användas för representationen av 0 och 1. Dessa skulle sedan kunna transporteras som pärlor på ett snöre utan att avstånden mellan pärlorna spelar någon större roll. Förekomsten av två olika typer av skyrmioner (skyrmion och skyrmion bobber) har hittills endast förutspåtts teoretiskt och har endast visats experimentellt i ett speciellt odlat monokristallint material. I dessa experiment, dock, skyrmionerna existerar bara vid extremt låga temperaturer. Dessa begränsningar gör detta material olämpligt för praktiska tillämpningar.
Forskargruppen ledd av Hans Josef Hug på Empa har nu lyckats lösa detta problem:"Vi har tagit fram ett flerskiktssystem bestående av olika subnanometertjocka ferromagnetiska, lager av ädelmetall och sällsynta jordartsmetaller, där två olika skyrmiontillstånd kan samexistera vid rumstemperatur, " säger Hug. Hans team hade studerat skyrmions egenskaper i ultratunna ferromagnetiska flerskiktssystem med hjälp av det magnetiska kraftmikroskop som de utvecklade på Empa. För sina senaste experiment, de tillverkade materiallager gjorda av följande metaller:iridium (Ir), järn (Fe), kobolt (Co), platina (Pt) och de sällsynta jordartsmetallerna terbium (Tb) och gadolinium (Gd).
Schematisk representation av en skyrmion (vänster):Pilarna representerar riktningen för de magnetiska momenten; Magnetisk kraftmikroskopibild av två olika typer av skyrmioner observerade i ett avstämbart flerskiktssystem (höger):de två färgnivåerna, ljus och mörkblå, särskilja de två skyrmionerna. Kredit:Empa
Mellan de två ferromagnetiska flerskikten som genererar skyrmioner - i vilka kombinationen av Ir/Fe/Co/Pt-skikt är överlagrade fem gånger - infogade forskarna ett ferrimagnetiskt flerskikt bestående av ett TbGd-legeringsskikt och ett Co-skikt. Det speciella med detta lager är att det inte kan generera skyrmioner på egen hand. De två yttre lagren, å andra sidan, generera skyrmioner i stort antal.
Forskarna justerade blandningsförhållandet mellan de två metallerna Tb och Gd och tjockleken på TbGd- och Co-lagren i det centrala lagret på ett sådant sätt att dess magnetiska egenskaper kan påverkas av de yttre lagren:de ferromagnetiska lagren "tvingar" skyrmioner in i det centrala ferrimagnetiska lagret. Detta resulterar i ett flerskiktssystem där två olika typer av skyrmioner finns.
Experimentella och teoretiska bevis
De två typerna av skyrmioner kan lätt särskiljas från varandra med magnetisk kraftmikroskop på grund av deras olika storlekar och intensiteter. Den större skyrmionen, som också skapar ett starkare magnetfält, penetrerar hela flerskiktssystemet, d.v.s. också det mellersta ferrimagnetiska flerskiktet. Ju mindre, svagare skyrmion, å andra sidan existerar endast i de två yttre flerskikten. Detta är den stora betydelsen av de senaste resultaten med avseende på en möjlig användning av skyrmioner i databehandling:om binära data – 0 och 1 – ska lagras och läsas, de måste vara tydligt urskiljbara, vilket skulle vara möjligt här med hjälp av de två olika typerna av skyrmioner.
De två yttre ferromagnetiska flerskikten skapar en hög densitet av skyrmioner och påverkar det centrala ferrimagnetiska flerskiktet på ett sådant sätt att några skyrmioner från de yttre skikten kan komma in i det mellersta. Detta skapar två olika typer av skyrmioner som kan användas för bit 0 och 1. Kredit:Empa
Med hjälp av magnetisk kraftmikroskop, enskilda delar av dessa flerskikt jämfördes med varandra. Detta gjorde det möjligt för Hugs team att avgöra i vilka lager de olika skyrmionerna förekommer. Vidare, mikromagnetiska datorsimuleringar bekräftade de experimentella resultaten. Dessa simuleringar genomfördes i samarbete med teoretiker från universiteten i Wien och Messina.
Empa-forskaren Andrada-Oana Mandru, studiens första författare, är hoppfull om att en stor utmaning mot praktiska tillämpningar har övervunnits:"De flerskikt som vi har utvecklat med hjälp av sputterteknologi kan i princip även produceras i industriell skala, " sa hon. Dessutom liknande system kan möjligen användas i framtiden för att bygga tredimensionella datalagringsenheter med ännu större lagringstäthet. Teamet publicerade nyligen sitt arbete i den berömda tidskriften Naturkommunikation .
Racetrack minne
Konceptet med ett sådant minne designades 2004 hos IBM. Det består av att skriva information på ett ställe med hjälp av magnetiska domäner, dvs. magnetiskt justerade områden – och sedan flytta dem snabbt inuti enheten med hjälp av strömmar. En bit motsvarar en sådan magnetisk domän. Denna uppgift kan utföras av en skyrmion, till exempel. Bärarmaterialet för dessa magnetiska informationsenheter är nanotrådar, som är mer än tusen gånger tunnare än ett människohår och därmed utlovar en extremt kompakt form av datalagring. Transporten av data längs ledningarna fungerar också extremt snabbt, cirka 100, 000 gånger snabbare än i ett konventionellt flashminne och med en mycket lägre energiförbrukning.
