Små magnetiska virvelstrukturer, så kallade skyrmioner, har under en tid undersökts intensivt för framtida energieffektiva utrymmesbesparande datalagringsenheter. Forskare vid Forschungszentrum Jülich har nu upptäckt en annan klass av partikelliknande magnetiska föremål som kan ta utvecklingen av datalagringsenheter ett betydande steg framåt. De nyupptäckta magnetiska partiklarna gör det möjligt att koda digital data direkt med två olika typer av magnetiska objekt, nämligen med skyrmioner och magnetiska bobbers — om skyrmioner används för att koda nummer ett, sedan kan de nya strukturerna användas för att koda talet noll.

Dessa föremål, som kallas "kirala magnetiska bobbers", " är tredimensionella magnetiska strukturer som uppträder nära ytorna på vissa legeringar.

"Under en lång tid, det unika föremålet för forskning inom området kirala magneter var den magnetiska skyrmion. Vi tillhandahåller nu ett nytt objekt för undersökning av forskare - en kiral bobber - som kännetecknas av ett antal unika egenskaper, " säger Dr Nikolai Kiselev från Jülichs Peter Grünberg Institute (PGI-1). För tre år sedan, tillsammans med institutets direktör Prof. Stefan Blügel och andra medarbetare, de förutspådde existensen av denna nya klass av magnetiska strukturer teoretiskt. Nu, forskare från Ernst Ruska-centret för mikroskopi och spektroskopi med elektroner (direktör Prof. Rafal E. Dunin-Borkowski och hans kollegor) har experimentellt demonstrerat förekomsten av kirala bobbers i ett verkligt material.

Stabiliteten hos magnetiska strukturer som skyrmioner är relaterad till en egenskap hos materialet som kallas kiralitet. Precis som en högerhand inte kan omvandlas till en vänsterhand av symmetriskäl, högerhänta och vänsterhänta magnetiska strukturer kan inte omvandlas till varandra. Vidare, både skyrmioner och de nyupptäckta kirala bobbarna är mycket små, med diametrar på vanligtvis bara några tiotals nanometer. Därför, de kan i princip användas för att packa data mycket tätt på ett minneschip. Dock, deras ringa storlek gör deras observation mycket utmanande. "Visualiseringen av magnetisk textur i så liten skala kräver speciella toppmoderna tekniker som är tillgängliga i endast ett fåtal laboratorier över hela världen, " förklarar Rafal Dunin-Borkowski.

Det finns en annan viktig anledning till varför magnetiska solitoner (ett annat namn för partikelliknande föremål i icke-linjär fysik) som skyrmioner och kirala bobbers är så lovande för tillämpningar. I motsats till databitar i hårddiskar, skyrmioner är rörliga föremål. Deras rörelse längs ett styrspår i ett chip kan induceras av en mycket svag elektrisk strömpuls. Den här egenskapen ger nya möjligheter för utvecklingen av ett helt nytt koncept av magnetiskt solid-state-minne – det så kallade skyrmion racerbaneminnet. "Rörligheten hos skyrmions tillåter data att flytta från skriv- till läselement utan behov av några rörliga mekaniska delar som läs- och skrivhuvuden och själva hårddisken som snurrar, " förklarar Nikolai Kiselev. Denna förmåga sparar energi eftersom komponenter som rör sig i allmänhet kräver mer energi, tar mer plats och tenderar att vara känsliga för mekaniska vibrationer och stötar. Ett nytt magnetiskt fast tillståndsminne skulle vara fritt från sådana nackdelar.

"Tills nu, det antogs att digital data på något sätt skulle representeras som en sekvens av skyrmioner och tomma utrymmen, " säger Stefan Blügel. Avståndet mellan på varandra följande skyrmioner kodar då binär information. det måste sedan kontrolleras eller kvantiseras, så att ingen information går förlorad genom spontan drift av skyrmionerna. Istället, de nyupptäckta tredimensionella magnetiska partiklarna erbjuder möjligheter att koda digital data direkt som en sekvens av skyrmioner och magnetiska bobbers, som var och en kan flöda fritt utan att behöva upprätthålla exakta avstånd mellan på varandra följande databitbärare.

Ytterligare forskning krävs för att utveckla praktiska tillämpningar. I den järn-germaniumlegering som studerades av Nikolai Kiselev och hans kollegor, strukturerna är bara stabila upp till 200 Kelvin, vilket motsvarar -73,5 grader Celsius. Dock, baserat på teoretiska överväganden, det förutspås att magnetiska bobbers också kan förekomma i andra kirala magneter och, som några nyligen upptäckta arter av skyrmioner, kan även finnas vid rumstemperatur.