För ett decennium sedan, upptäckten av kvasipartiklar som kallas magnetiska skyrmions gav viktiga nya ledtrådar om hur mikroskopiska spinnstrukturer möjliggör spintronik, en ny klass av elektronik som använder orienteringen av en elektronns snurr snarare än dess laddning för att koda data.

Men även om forskare har gjort stora framsteg inom detta mycket unga område, de förstår fortfarande inte helt hur man designar spintronikmaterial som möjliggör ultraljud, Ultra snabb, enheter med låg effekt. Skyrmions kan verka lovande, men forskare har länge behandlat skyrmions som bara 2D -objekt. Nyliga studier, dock, har föreslagit att 2D skyrmions faktiskt kan vara upphovet till ett 3D -spinnmönster som kallas hopfions. Men ingen hade kunnat experimentellt bevisa att det finns magnetiska hopfioner på nanoskala.

Nu, ett team av forskare som leds av Berkeley Lab har rapporterat i Naturkommunikation den första demonstrationen och observationen av 3D -hopfioner som kommer från skyrmions på nanoskala (miljarddels meter) i ett magnetiskt system. Forskarna säger att deras upptäckt varar ett stort steg framåt för att förverkliga hög densitet, hög hastighet, låg effekt, men ändå ultrastabila magnetiska minnesenheter som utnyttjar elektronspinnets egen kraft.

"Vi bevisade inte bara att komplexa spinntexturer som 3D -hopfioner finns - vi demonstrerade också hur man studerar och därför utnyttjar dem, "sa medförfattaren Peter Fischer, en senior forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning som också är adjungerad professor i fysik vid UC Santa Cruz. "För att förstå hur hoppfioner verkligen fungerar, vi måste veta hur vi gör dem och studerar dem. Detta arbete var möjligt endast för att vi har dessa fantastiska verktyg på Berkeley Lab och vårt samarbete med forskare runt om i världen, " han sa.

Enligt tidigare studier, hopfions, till skillnad från skyrmions, driver inte när de rör sig längs en enhet och är därför utmärkta kandidater för datateknik. Vidare, teorisamarbetspartners i Storbritannien hade förutspått att hoppfioner kunde komma från ett flerskiktat 2D -magnetsystem.

Den aktuella studien är den första som testar dessa teorier, Sa Fischer.

Med hjälp av nanofabrikationsverktyg på Berkeley Labs Molecular Foundry, Noah Kent, en doktorsexamen student i fysik vid UC Santa Cruz och i Fischers grupp på Berkeley Lab, arbetade med Molecular Foundry -personal för att skära ut magnetiska nanopillarer från lager av iridium, kobolt, och platina.

Det flerskiktade materialet utarbetades av UC Berkeley postdoktor Neal Reynolds under överinseende av medförfattaren Frances Hellman, som innehar titlar som ledande forskare vid Berkeley Labs materialvetenskapsavdelning, och professor i fysik och materialvetenskap och teknik vid UC Berkeley. Hon leder också Department of Energy's Non-Equilibrium Magnetic Materials (NEMM) program, som stödde denna studie.

Hopfions och skyrmions är kända för att samexistera i magnetiska material, men de har ett karakteristiskt snurrmönster i tre dimensioner. Så, att skilja dem åt, forskarna använde en kombination av två avancerade magnetiska röntgenmikroskopitekniker-X-PEEM (röntgenfotoemissionselektronmikroskopi) vid Berkeley Labs synkrotronanvändaranläggning, den avancerade ljuskällan; och magnetisk mjuk röntgenöverföringsmikroskopi (MTXM) vid ALBA, en synkrotronljusanläggning i Barcelona, Spanien - för att föreställa sig de olika spin -mönstren hos hopfions och skyrmions.

För att bekräfta deras observationer, forskarna utförde sedan detaljerade simuleringar för att efterlikna hur 2D -skyrmions inuti en magnetisk enhet utvecklas till 3D -hopfioner i noggrant utformade flerskiktsstrukturer, och hur dessa kommer att se ut när de avbildas av polariserat röntgenljus.

"Simuleringar är en oerhört viktig del av denna process, gör det möjligt för oss att förstå de experimentella bilderna och att designa strukturer som stöder hoppfioner, skyrmions, eller andra utformade 3D -spinnstrukturer, "Sa Hellman.

För att förstå hur hopfions i slutändan kommer att fungera i en enhet, forskarna planerar att använda Berkeley Labs unika förmågor och forskningsanläggningar i världsklass-som Fischer beskriver som "avgörande för att utföra sådant tvärvetenskapligt arbete"-för att ytterligare studera de kvixotiska kvasipartiklarnas dynamiska beteende.

"Vi har länge vetat att spinntexturer nästan oundvikligen är tredimensionella, även i relativt tunna filmer, men direkt bildbehandling har varit experimentellt utmanande, "sa Hellman." Beviset här är spännande, och det öppnar dörrar för att hitta och utforska ännu mer exotiska och potentiellt betydelsefulla 3D -spinnstrukturer. "