För närvarande, små magnetiska virvlar – så kallade skyrmioner – diskuteras som lovande kandidater för bitar i framtida robusta och kompakta datalagringsenheter. Vid universitetet i Hamburg visade sig dessa exotiska magnetiska strukturer nyligen existera i ultratunna magnetiska lager och flerlager, liknande de som används i nuvarande hårddiskar och magnetiska sensorer. Dock, Hittills har en extra magnet varit nödvändig för utläsning av skyrmioner. Nu har forskare från universitetet i Hamburg och Christian-Albrechts-Universität i Kiel visat att skyrmioner kan upptäckas mycket lättare på grund av en drastisk förändring av det elektriska motståndet i dessa magnetiska virvlar. För framtida datalagringskoncept lovar detta en betydande förenkling när det gäller tillverkning och drift.

Stabila virvlar i magnetiska material (se figur) förutspåddes för över 25 år sedan, men det experimentella förverkligandet uppnåddes först nyligen. Upptäckten av sådana skyrmioner i tunna magnetiska filmer och flerskikt, redan används i dagens teknik, och möjligheten att flytta dessa skyrmioner vid mycket låga elektriska strömtätheter, har öppnat perspektivet för att använda dem som bitar i nya datalagringsenheter.

Hittills har individuella magnetiska virvlar detekterats antingen genom elektronmikroskopi eller genom resistansförändringen i en tunnelkontakt med en magnetisk sond. Med hjälp av ett scanning tunnelmikroskop kunde forskare vid universitetet i Hamburg nu visa att resistansen ändras även när en icke-magnetisk metall används i en sådan mätning. "I vårt experiment kan vi flytta en metallisk spets över en yta med precision i atomskala, och på så sätt kan vi mäta motståndet på olika positioner i en skyrmion, säger Christian Hanneken, en doktorand i prof. Roland Wiesendangers grupp. Detta möjliggör bevis för det lokalt varierande motståndet inom den magnetiska virveln. "Vi hittade en motståndsförändring på upp till 100%, tillåter ett enkelt detektionsschema för skyrmioner', som doktor Kirsten von Bergmann förklarar.

I samarbete med teoretiska fysiker från universitetet i Kiel kunde forskarna identifiera ursprunget till resistansförändringen i den magnetiska virveln:den beror på lutningen mellan atommagneterna från en atom till nästa (se figur). Ju större vinkeln är mellan de intilliggande atommagneterna, desto starkare är förändringen i det elektriska motståndet. "Elektroner snurrar, och därmed interagerar de med magnetiska strukturer', säger prof. Stefan Heinze från universitetet i Kiel. När elektronerna färdas genom en magnetisk virvel, de känner lutningen mellan atommagneterna, leder till en lokal resistansförändring av materialet. "Vi kunde förstå denna effekt genom att utföra omfattande numeriska datorsimuleringar av de elektroniska egenskaperna och utvecklade en enkel modell för denna effekt", som doktoranden Fabian Otte förklarar.

I framtida tillämpningar skulle denna nyupptäckta effekt kunna utnyttjas för att läsa ut skyrmioniska bitar på ett enkelt sätt. Möjligheten att använda godtyckliga metallelektroder förenklar avsevärt tillverkningen och driften av sådana nya lagringsanordningar.