Magnetiska virvlar i nanoskala som kallas skyrmioner kan bildas i vissa material som tunna magnetiska filmer. Dessa små virvlar packas in i täta gitter som är mer stabila än konventionella magnetiska domäner och som kan transporteras och manipuleras med minimal elektrisk kraft – funktioner som lovar mycket för framtida applikationer för informationslagring. Att utnyttja skyrmioner i sådana minnesteknologier, dock, forskare behöver en djupare förståelse för deras grundläggande egenskaper.

Hyun Soon Park, Toshiaki Tanigaki och kollegor från RIKEN Center for Emergent Matter Science, i samarbete med industriella och akademiska forskare från hela Japan, har nu gjort stora framsteg på detta område genom att utföra den första tredimensionella analysen av skyrmiongitter med hjälp av ett elektronholografimikroskop.

Det RIKEN-ledda teamet har banat väg för tekniker för att se skyrmioner i två dimensioner med hjälp av tekniker som inkluderar Lorentz transmissionselektronmikroskopi. Dock, den magnetiska strukturen hos skyrmioner – definierad av orienteringen av elektronsnurr – är inte platt, och involverar istället en tredimensionell fördelning av spinnorienteringarna för att bilda en sann virvel. Att analysera denna struktur i kvantitativ detalj är svårt eftersom egenskaperna ligger utanför upplösningsgränsen för Lorentz-mikroskopi och kan skymmas av den inneboende grovheten hos filmens yta.

Elektronholografi, en teknik för att generera tredimensionella visualiseringar från störande elektronvågor, kan användas för att lösa magnetiska strukturer med oöverträffad detalj. Genom samarbete med gruppen av avlidne Akira Tonomura – en förfader till elektronholografi – på Hitachi, Ltd, forskarna konstruerade ett högspänningselektronholografimikroskop med tillräcklig kraft för att lösa skyrmionstrukturen.

Med hjälp av deras holografiska mikroskop, forskarna avbildade den magnetiska strukturen hos en tunn järn-kobolt-kiselfilm medan de applicerade ett magnetfält. När magnetfältets intensitet ökade, de observerade en förändring i elektronspinnarrangemanget från en spiralformad struktur till den virvlande skyrmionstrukturen. De tredimensionella bilderna avslöjade att skyrmionerna antar en distinkt cylindrisk form med ett kusligt vackert inre mönster (Fig. 1). Spännande nog, denna magnetiska virvel växlar från höger- till vänsterhänt när riktningen för det applicerade magnetfältet ändras.

Park noterar att skyrmioner med cylindriska spinnkonfigurationer kan förväntas ge ett mer effektivt vridmoment för spinnöverföring - en kritisk faktor vid transport av skyrmioner för datalagringstillämpningar. Han är också säker på att högspänningselektronholografi har en enorm potential för att lösa många av de osäkerheter som är förknippade med spintroniska enheter. "Att se komplexa magnetiska strukturer med hög precision eller i tre dimensioner är nyckeln till att förstå dessa system, " konstaterar han.