Forskare har länge vetat att magnetism skapas av elektronsnurr som radas upp på vissa sätt. Men för ungefär ett decennium sedan upptäckte de ytterligare ett häpnadsväckande lager av komplexitet i magnetiska material:Under rätt förhållanden kan dessa snurr bilda små virvlar eller virvlar som fungerar som partiklar och rör sig oberoende av atomerna som skapade dem.

De små virvlarna kallas skyrmioner, uppkallade efter Tony Skyrme, den brittiska fysikern som förutspådde deras existens 1962. Deras ringa storlek och robusta natur – som knutar som är svåra att lösa – har gett upphov till ett snabbt växande fält som ägnas åt att förstå dem bättre och utnyttjar deras konstiga egenskaper.

"Dessa objekt representerar några av de mest sofistikerade formerna av magnetisk ordning som vi känner till", säger Josh Turner, en stabsforskare vid Department of Energys SLAC National Accelerator Laboratory och huvudutredare vid Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) på SLAC.

"När skyrmioner bildas", sa han, "händer det på en gång, genom hela materialet. Vad som är ännu mer intressant är att skyrmionerna rör sig som om de vore individuella, oberoende partiklar. Det är som en dans där alla snurrar kommunicerar med varandra och rör sig unisont för att kontrollera skyrmionernas rörelse, och under tiden sitter atomerna i gittret under dem bara där."

Eftersom de är så stabila och så små - ungefär 1 000 gånger så stora som en atom - och lätt kan flyttas genom att applicera små elektriska strömmar, sa han, "det finns massor av idéer om hur man kan utnyttja dem för nya typer av datorer och minneslagring teknik som är mindre och använder mindre energi."

Mest intressant för Turner är dock den grundläggande fysiken bakom hur skyrmioner bildas och beter sig. Han och kollegor från DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory och University of California, San Diego har utvecklat metoder för att fånga skyrmions aktiviteter i deras naturliga, ostörda tillstånd med oöverträffade detaljer med hjälp av SLAC:s röntgenfria elektronlaser, Linac Coherent Light Källa (LCLS). Det låter dem mäta detaljer i nanoskala – så små som miljondelar av en tum – och observera förändringar som äger rum på miljarddelar av en sekund.

I en serie nya artiklar beskriver de experiment som tyder på att skyrmioner kan bilda en glasliknande fas där deras rörelser är så långsamma att de ser ut som om de har fastnat, som bilar i en trafikstockning. Vidare mätte de hur skyrmions naturliga rörelse i förhållande till varandra kan svänga och förändras som svar på ett applicerat magnetfält, och upptäckte att denna inneboende rörelse aldrig tycks sluta helt. Denna ständigt närvarande fluktuation, sa Turner, indikerar att skyrmioner kan ha mycket gemensamt med högtemperatursupraledare - kvantmaterial vars förmåga att leda elektricitet utan förlust vid relativt höga temperaturer kan vara relaterad till fluktuerande ränder av elektronspin och laddning.

Forskargruppen kunde observera skyrmionfluktuationer i en tunn magnetisk film gjord av många alternerande lager av järn och gadolinium genom att ta ögonblicksbilder med LCLS-röntgenlaserstrålen med bara 350 biljondelar av en sekund från varandra. De säger att deras metod kan användas för att studera fysiken för ett brett spektrum av material, såväl som deras topologi – ett matematiskt koncept som beskriver hur ett objekts form kan deformeras utan att i grunden ändra dess egenskaper. När det gäller skyrmioner är topologi det som ger dem deras robusta natur, vilket gör dem svåra att förinta.

"Jag tror att den här tekniken kommer att växa och bli mycket kraftfull i fysik för kondenserad materia, eftersom det inte finns så många direkta sätt att mäta dessa fluktuationer över tiden", säger Sujoy Roy, en personalforskare vid Berkeley Labs Advanced Light Source. "Det finns ett stort antal studier som kan göras på saker som supraledare, komplexa oxider och magnetiska gränssnitt."

Sergio Montoya, en forskare vid Center for Memory and Recording Research vid UC San Diego som designade och tillverkade materialet som används i denna studie, tillade:"Den här typen av information är viktig när du utvecklar storskalig elektronik och behöver se hur de bete sig genom hela materialet, inte bara på en liten plats."

Snabba ögonblicksbilder av förändringar i atomskala

Montoya började studera järn-gadolinium-filmen runt 2013. Då var det redan känt att skyrmiongitter kunde bildas när magnetfält applicerades på vissa magneter, och det gjordes starka forskningsansträngningar för att upptäcka nya material som kunde ta emot skyrmioner i rumstemperatur . Montoya tillverkade noggrant de skiktade materialen och justerade tillväxtförhållandena för att justera egenskaperna hos skyrmiongittret - "designen och skräddarsyttningen av materialet spelar en stor roll i studier som dessa", sa han - och slog sig ihop med Roy för att undersöka dem med Röntgenstrålar från den avancerade ljuskällan.

Under tiden utvecklade Turner och hans team på LCLS ett nytt verktyg som är som en kamera för att ta ögonblicksbilder av fluktuationer i atomskala vid extremt snabba slutartider. Två röntgenlaserpulser, var och en bara miljondelar av en miljarddels sekund långa, träffade ett prov miljondelar till miljarddels sekund från varandra. Röntgenstrålarna flyger in i en detektor och bildar "fläckiga mönster", var och en lika unik som ett fingeravtryck, som avslöjar subtila förändringar i materialets komplexa struktur.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."