Virvlar i nanoskala som kallas skyrmioner kan skapas i många magnetiska material. För första gången, forskare vid PSI har lyckats skapa och identifiera antiferromagnetiska skyrmioner med en unik egenskap:kritiska element inuti dem är ordnade i motsatta riktningar. Forskare har lyckats visualisera detta fenomen med hjälp av neutronspridning. Deras upptäckt är ett stort steg mot att utveckla potentiella nya applikationer, som mer effektiva datorer. Resultaten av forskningen publiceras idag i tidskriften Natur .

Huruvida ett material är magnetiskt beror på atomernas spinn. Det bästa sättet att tänka på snurr är som minutstavsmagneter. I en kristallstruktur där atomerna har fasta positioner i ett gitter, dessa snurr kan arrangeras på kors och tvärs eller riktas parallellt som spjuten från en romersk legion, beroende på det enskilda materialet och dess tillstånd.

Under vissa förhållanden är det möjligt att skapa små virvlar inom spinnkåren. Dessa är kända som skyrmioner. Forskare är särskilt intresserade av skyrmioner som en nyckelkomponent i framtida teknologier, som effektivare datalagring och överföring. Till exempel, de kan användas som minnesbitar:en skyrmion kan representera den digitala, och dess frånvaro en digital nolla. Eftersom skyrmioner är betydligt mindre än de bitar som används i konventionella lagringsmedia, datatätheten är mycket högre och potentiellt också mer energieffektiv, medan läs- och skrivoperationer också skulle vara snabbare. Skyrmions kan därför vara användbara både i klassisk databehandling och i banbrytande kvantberäkning.

En annan intressant aspekt för applikationen är att skyrmioner kan skapas och styras i många material genom att applicera en elektrisk ström. "Med befintliga skyrmioner, dock, det är svårt att systematiskt flytta dem från A till B, eftersom de tenderar att avvika från en rak väg på grund av sina inneboende egenskaper, " förklarar Oksana Zaharko, forskargruppsledare vid PSI.

Arbeta med forskare från andra institutioner, Dr Zaharko och hennes team har nu skapat en ny typ av skyrmion och visat en unik egenskap:i deras inre, kritiska snurr arrangeras i motsatta riktningar till varandra. Forskarna beskriver därför sina skyrmioner som antiferromagnetiska.

I en rak linje från A till B

"En av de viktigaste fördelarna med antiferromagnetiska skyrmioner är att de är mycket enklare att kontrollera:om en elektrisk ström appliceras, de rör sig i en enkel rak linje, " kommenterar Zaharko. Detta är en stor fördel:för att skyrmioner ska vara lämpliga för praktiska tillämpningar, det måste vara möjligt att selektivt manipulera och positionera dem.

Forskarna skapade sin nya typ av skyrmion genom att tillverka dem i en anpassad antiferromagnetisk kristall. Zaharko förklarar:"Antiferromagnetisk betyder att angränsande snurr är i ett antiparallellt arrangemang, med andra ord en pekar uppåt och nästa pekar nedåt. Så vad som från början observerades som en egenskap hos materialet identifierade vi senare även inom de individuella skyrmionerna."

Det krävs fortfarande flera steg innan antiferromagnetiska skyrmioner är mogna nog för en teknisk tillämpning:PSI-forskare var tvungna att kyla ner kristallen till runt minus 272 grader Celsius och applicera ett extremt starkt magnetfält på tre tesla – ungefär 100, 000 gånger styrkan av jordens magnetfält.

Neutronspridning för att visualisera skyrmionerna

Och forskarna har ännu inte skapat individuella antiferromagnetiska skyrmioner. För att verifiera de små virvlarna, forskarna använder Swiss Spallation Neutron Source SINQ vid PSI. "Här kan vi visualisera skyrmioner med neutronspridning om vi har många av dem i ett regelbundet mönster i ett visst material, " förklarar Zaharko.

Men vetenskapsmannen är optimistisk:"I min erfarenhet, om vi lyckas skapa skyrmioner i en vanlig linje, någon kommer snart att lyckas skapa sådana skyrmioner individuellt."

Den allmänna samsynen inom forskarvärlden är att när enskilda antiferromagnetiska skyrmioner kan skapas vid rumstemperatur, en praktisk tillämpning kommer inte att vara långt borta.