Fysiker på jakt efter en sällan skådad magnetisk spinnstruktur har upptäckt ett annat föremål som bär dess kännetecken, gömd i strukturen av ultratunna magnetiska filmer, att de har kallat en inkommensurate spin kristall.

Ett team från University of Warwick rapporterar resultaten i tidskriften Naturkommunikation , som skulle kunna erbjuda nya möjligheter för teknologier som datorminne och lagring.

Forskarna började till en början hitta en skyrmion, en virvlande magnetisk spinntextur som teoretiserats existerar i speciella magnetiska material och som är av stort intresse för fysiker på grund av deras unika egenskaper och potential för en ny generation av energieffektiv datalagring. För att hitta dem, forskare letar efter onormalt beteende av Hall-effekten; detta gör att elektroner som rör sig genom ett ledande material beter sig annorlunda, mätt som resistivitet.

För att framkalla denna effekt, teamet skapade prover genom att kombinera en extremt tunn film av ett ferroelektriskt material, blytitanat, med en annan tunn film av en ferromagnet, strontiumrutanat. Dessa lager är atomärt plana, bara fem till sex enhetsceller (3 nanometer) tjocka.

Det ferroelektriska lagret inducerar ett elektriskt fält som förvränger ferromagnetens atomstruktur, bryta dess symmetri. Med hjälp av atomär precisionselektronmikroskopi, de mätte denna symmetribrott, och kunde också separat mäta materialets elektriska resistivitet och bekräftade närvaron av egenskaper som liknar den Topologiska Hall-effekten, som man kan förvänta sig för en skyrmion.

Sedan använde forskarna magnetisk kraftmikroskopi för att undersöka topologin för materialets atomstruktur, som bildade ett gitter baserat på rektanglar - inte hexagoner, som de förväntade sig. Inom detta gitter finns magnetiska domäner där skyrmioner skulle hittas som individuella, isolerade partiklar. Istället, dessa domäner bildades mer som pärlor på ett snöre eller halsband, med pärlor som aldrig riktigt bildar en perfekt cirkel.

Huvudförfattare Sam Seddon, en Ph.D. student vid University of Warwick Department of Physics, sa:"När du noggrant undersökt bilderna, du inser, faktiskt, det här presenterar sig inte alls som en skyrmion.

"En skyrmion orsakar sin egen komplicerade Hall-effekt och när liknande effekter observeras behandlas den ofta som en signatur av skyrmion. Vi har hittat en mycket ordnad domänstruktur, precis som ett skyrmiongitter skulle bildas, emellertid är de helt enkelt kirala och inte topologiskt skyddade. Vad det här visar med bevis för real-rymden är att du inte behöver en topologisk domän för att orsaka en Hall-effekt av det här slaget."

Ferroelektriska och ferromagnetiska material är viktiga för teknologier som datorminne och lagring. Till exempel, material som mycket liknar blytitanat används ofta för datorminnet i de elektroniska systemen i bilar, på grund av deras robusthet och förmåga att arbeta vid extrema temperaturer.

Medförfattare professor Marin Alexe från University of Warwick sa:"Det finns intresse för dessa typer av gränssnitt mellan ferroelektriska och ferromagnetiska material, till exempel för nya typer av datorminne. Eftersom ferroelektrisk polarisation kan bytas permanent, detta modifierar en kvanteffekt i en ferromagnet och det kan ge oss riktning för material för nästa kvantdatorer. Dessa kommer att behöva stabila material som fungerar vid extrema temperaturer, har låg strömförbrukning, och kan lagra information under lång tid, så alla ingredienser finns här.

"Topologi är översättningen av vissa matematiska begrepp till det verkliga livet och är nu kärnan i nya upptäckter inom fysiken. På University of Warwick har vi en extraordinär och avancerad infrastruktur som tillåter oss att tackla ett problem ur teoretisk synvinkel, att titta på atomstruktur, ända fram till att titta på funktionella egenskaper vid extrema temperaturer och fält, speciellt magnetfält. Vi kan erbjuda grunder för ingenjörer att utveckla ny teknik från."