När forskare använder ett optiskt Kerr-mikroskop för att zooma in på tunna filmer av magnetiskt material, givet de rätta förhållandena, observerar de en sorts magnetisk orkan i mikroskala. Fysiker kallar dessa virvelvindsliknande magnetiska strukturer för skyrmioner. Tanken är att använda detta fenomen för datalagring eller bearbetningsenheter. För dessa tillämpningar måste rörelsen hos minivirvelvindarna, som själva fungerar som fristående partiklar eller så kallade kvasipartiklar, utnyttjas.

Skyrmionerna kan röra sig både på grund av temperatureffekter och av elektriska strömmar. Medan mer kraftfulla "knuffar" behövs för vissa tillämpningar, är den slumpmässiga termiska rörelsen önskvärd för andra, till exempel i icke-konventionell datoranvändning.

Nålning:När skyrmioner möter "hinderbanan"

De nanometertunna materialfilmerna där skyrmioner kan observeras är aldrig perfekta. Som ett resultat kan dessa små magnetiska virvelvindar fastna - en effekt som kallas pinning. I de flesta fall fastnar de så att de inte kan fly. Det är som att försöka rulla en liten boll på ytan av ett gammalt bord täckt av repor och skåror. Dess väg kommer att avböjas och om det finns en tillräckligt stor fördjupning fastnar bollen helt enkelt. När skyrmioner fastnar på det här sättet innebär det utmaningar, särskilt när det gäller tillämpningar som är beroende av kvasipartiklarnas termiska rörelse. Pinning kan leda till att denna rörelse helt stannar.

Förstå grunderna för att fästa

"Jag har använt ett Kerr-mikroskop för att studera skyrmioner på bara en mikrometer i storlek - eller, för att vara mer exakt, deras pinningsbeteende", säger Raphael Gruber, doktorand och medlem av forskargruppen till professor Mathias Kläui vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU). Det finns redan ett antal teorier om hur effekten uppstår. De flesta av dem koncentrerar sig på att titta på skyrmioner som en helhet; med andra ord, de fokuserar på rörelsen av sina centra. Det har till och med gjorts några experimentella studier, men i närvaro av stark pinning där skyrmionerna inte kan röra sig alls.

"Mina undersökningar är baserade på svag pinning som tillåter skyrmionerna att röra sig lite och fortsätta hoppa tills de fastnar någon annanstans," förklarade Gruber. Hans resultat ger intressanta nya insikter. "Skyrmions faller inte som bollar i ett hål", sa den experimentella fysikern. "Vad som händer är att den fastnar på något på ytan." Motsvarande resultat har nyligen publicerats i Nature Communications .

Forskargruppsledaren professor Mathias Kläui är också glad över de nya rönen, som är resultatet av många års samarbete med grupper från teoretisk fysik:"Under beskydd av Skyrmionics Priority Program finansierat av den tyska forskningsstiftelsen och Spin+X Collaborative Research Center, vi har undersökt dynamiken i spinnstrukturer tillsammans med våra motsvarigheter inom teoretisk fysik. Jag är glad att kunna säga att detta mycket produktiva samarbete, särskilt även mellan doktorander i de inblandade grupperna, har genererat dessa fascinerande resultat ."

Dr Peter Virnau, som leder en teoretisk fysikgrupp i Mainz, sa:"Skyrmions är en relativt ny aspekt i min forskning... Jag är glad att våra numeriska metoder kan bidra till en bättre förståelse av experimentdata." + Utforska vidare

Magnetiska virvlar i trånga utrymmen