Det är ett välbekant fenomen:om en snurra stöts eller sätts i rotation på en lutande yta, det rör sig vanligtvis inte i en rak linje, men skriver istället en serie små bågar. Forskare vid Technische Universität Berlin och Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) har nu tillsammans med forskarlag från Nederländerna och Schweiz lyckats fånga och registrera detta rörelsemönster i ett magnetiskt tunnfilmssystem – i form av små magnetiska nanovortices. Genom att göra så, forskarna gjorde en ny upptäckt:nanovortices har massa. Artikeln kommer att publiceras i den berömda vetenskapliga tidskriften Naturfysik .

"Med hjälp av magnetfält, vi kan selektivt skapa magnetiska nanovortiser, ge dem sedan ett knuff så att de avleds ur sin jämviktsposition", förklarar Dr. Felix Büttner, som drev denna forskning som sin Ph.D. projekt. "Vi kunde sedan mycket exakt spåra hur dessa skyrmioner, som dessa speciella nanovortices kallas, återgå till sin viloposition", Büttner förklarar vidare. Virvlarna bildas i ett magnetiskt system av tunna filmflerskikt, där alternerande lager bestående av en kobolt-borlegering och platina staplas på varandra. Varje enskilt lager är mindre än en nanometer tjockt. Detta arrangemang gör det möjligt för forskarna att mycket specifikt skräddarsy de magnetiska egenskaperna hos systemet, gör det möjligt för skyrmionerna att existera. Diametern på dessa magnetiska virvlar är inte mer än 100 nanometer. Det är ungefär 1/1000 av diametern på ett människohår.

Specialtekniker gjorde det möjligt för forskarna att spåra skyrmionernas rörelser med en precision som är bättre än några nanometer vid individuella tidssteg med mindre än en nanosekunds mellanrum. Detta underlättades av holografiska inspelningstekniker med användning av intensiva röntgenpulser från BESSY II-synkrotronkällan vid Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB). Dessa holografiska inspelningstekniker har utvecklats och förbättrats av TU Berlin "Nanometer Optics and X-ray Scattering" forskargrupp i samarbete med HZB under ett antal år, en gemensam insats under ledning av prof. Stefan Eisebitt från TU Berlin.

Vad Büttner och hans medarbetare observerade i röntgenhologrammen var anmärkningsvärt:"Lika som att stöta en snurra, nanovortex rör sig inte i en rak linje, utan istället längs en spiralbana", förklarar Büttner. "Genom att jämföra våra mätningar med modellberäkningar, vi kunde fastställa att denna spiralformade rörelse bara kan förklaras om skyrmion har massa."

Detta är en viktig upptäckt, eftersom nanovortices som observeras här endast representerar en speciell typ av skyrmioner som finns i naturen. "Förr, skyrmioner beskrevs ofta som masslösa", förklarar Christoforos Moutafis från Paul Scherrer Institute, som länge varit involverad i den teoretiska beskrivningen av den här typen av strukturer. Nu, tillämpningen av begreppet massa på sådana partiklar, som fastställts av detta arbete, kommer också att bidra till förståelsen av andra typer av skyrmioner, som forskarna påpekar i den berömda vetenskapliga tidskriften Naturfysik .

Det kan också finnas konkreta applikationer för dessa magnetiska nanovortices inom tunna magnetiska lager - de diskuteras redan idag som ett alternativt informationsmedium inom databehandling och lagring. Forskare misstänker att på grund av deras "skyrmion -egendom", sådana bitar (informationsenheter) kan lagras tätare och överföras mer tillförlitligt än för närvarande. De nya insikterna om skyrmions beteende kan bidra till att förverkliga den här typen av nya koncept för informationsbehandling.