Virvlande föremål som kallas magnetiska virvlar och skyrmioner kan miniatyriseras utan att offra rörlighet, en KAUST-ledd internationell forskargrupp har hittat. Dessa fynd är relevanta för framtida "race-track" minnesteknologier som har enorma tätheter av rörliga magnetiska bitar.

I nanometertunna magnetiska filmer, såsom järn-nickellegeringar, regionen som separerar två magnetiska domäner eller defekter kan anta små bubbelpoolliknande mönster. Några av dessa mönster, kallas skyrmions, motstå att rivas upp även när det är tätt packat ihop, och de kan också riktas med små elektriska strömmar. Dessa funktioner har gjort skyrmions attraktiva mål för forskning om högkapacitetsminnesenheter. Ett koncept drar skyrmions runt en slinga och sedan förbi ett stationärt läs-/skrivhuvud för att eliminera behovet av mekaniska komponenter som används i dagens hårddiskar.

Aurelien Manchon, en docent i materialvetenskap och teknik vid universitetet, noterar att en av de främsta anledningarna till att skyrmioner är attraktiva är deras förmåga att undvika defekter eller ojämna fläckar i tunna filmer som normalt skulle fånga eller "stifta" en magnetisk laddning. Dock, denna smidighet äventyras när forskare försöker krympa skyrmions till den minsta möjliga storleken - ju mindre de blir desto mer sannolikt är det att de fastnar på grund av den relativa ökningen av defekta platsdimensioner.

För att förbättra dessa enheter, Manchon och internationella medarbetare försökte förstå den grundläggande momentumöverföringen mellan laddningsströmmar och magnetiska virvlar.

Genom att använda intensiva röntgenstrålar genererade vid Berkeley Universitys avancerade ljuskälla, teamet tog tidsupplösta bilder av virvelmönster som kallas magnetiska virvlar när de rörde sig längs ett nanometerbrett halvringspår. Genom att lokalisera virvelkärnan från bildsekvensen, de fick korrekta data om en parameter, känt som det icke-adiabatiska spin-överföringsmomentet, vilket är avgörande för elektriska manipulationer.

Förvånande, det uppmätta icke-adiabatiska vridmomentet var mycket större än de värden som förutspåtts av befintliga modeller. För att ta hänsyn till denna skillnad, en teoretisk analys av Manchon visade att den extra vridningen tillhandahölls av en annan kraft - den framväxande Hall-effekten, som uppstår när elektroner färdas genom en magnetisk bubbelpool.

"I ett nötskal, elektroner upplever en kraft som trycker dem i sidled, men det kommer inte från den lokala magnetiseringen i sig; i stället härrör det från den magnetiska strukturens topologi, " förklarade Manchon. "Denna effekt producerar en extra spin-polariserad ström som utövar ett vridmoment på bubbelpoolen."

Forskarna fann att det ytterligare icke-adiabatiska vridmomentet intensifieras när storleken på bubbelpoolen minskar - en drivkraft som kan erbjuda ett sätt att övervinna defekter som fastnar på nanoskala. "Det här kan vara en intressant kompromiss att söka, speciellt i samband med skyrmion-baserad datalagring, " tillade Manchon.