Skyrmioner – små magnetiska virvlar som förekommer i vissa kombinationer av material – anses vara lovande informationsbärare för framtida datalagring. En forskargrupp från RWTH Aachen University, Kiel universitet, och Islands universitet har upptäckt att dessa magnetiska nano-knutar löser sig på två olika sätt. Med hjälp av ett magnetfält, sannolikheten att lyckas med att lossa kan varieras med upp till en faktor 10, 000. Denna insikt kan vara banbrytande för framtida informationsbehandling med skyrmions. Forskningen har nu publicerats i Naturfysik .

De magnetiska nano-knutarna kodar information genom sin närvaro eller frånvaro. De viktigaste fördelarna med knutarna är att de är extremt stabila, bara några få nanometer i storlek, finns i rumstemperatur, och kan förflyttas av mycket små strömmar. På grund av de små strömmarna, formationen läses upp och skrivs på ett mycket energieffektivt sätt. I princip, skyrmioner kan också användas för databehandling, så att bearbetning och lagring kan kombineras i en enda struktur. Detta skulle göra datorer mer kompakta och mer viktigt, mer energieffektiva. Baserat på dessa mycket lovande egenskaper, forskare över hela världen strävar efter att optimera skyrmions egenskaper, speciellt fokus på skyrmions stabilitet. Medan skyrmioner vanligtvis är extremt stabila, de minsta skyrmionerna, som krävs för adekvat datalagringstäthet, sönderfaller fortfarande alldeles för snabbt i rumstemperatur. En detaljerad förståelse av möjliga förfallsmekanismer skulle kunna ge insikter om hur man avsevärt kan förbättra deras stabilitet.

Skyrmions exceptionella stabilitet är ett resultat av den knutliknande konfigurationen av dessa atommagneter. Som med en bit rep, där änden av repet måste dras genom ett centralt hål, Att lösa upp atomknuten kräver avsevärd ansträngning. För den magnetiska nano-knuten, det finns en något enklare lösning – efter att ha vänt en enda atommagnet mot återställande krafter från dess närliggande atomer, knuten avtar kontinuerligt utan ytterligare ansträngning. Dock, tills nu, det var inte känt vilken av atommagneterna av de runt 100 i en skyrmion som är lättast omvända och exakt vad processen är.

Forskarna från Aachen, Kiel, och Reykjavik slog samman sin expertis för att svara på dessa frågor. "Vilken atommagnet som vrids beror på olika förhållanden, " förklarar Florian Muckel från RWTHs ordförande för experimentell fysik (fasta tillståndets fysik):"Genom att förändra ett magnetfält som verkar på skyrmionerna, vi kan välja mellan två distinkta mekanismer." Den första mekanismen komprimerar till en början skyrmionen till storleken av en enda nanometer för att underlätta den efterföljande spinnvändningen i mitten. Den andra mekanismen flyttar knutens centrum en nanometer mot skyrmions periferi, innan en atommagnet kan vända sin orientering dit ganska lätt. Som professor Markus Morgenstern, innehavaren av ordföranden för experimentell fysik (fast tillståndets fysik) förklarar:"Med hjälp av dessa två processer, vi kunde förbättra effektiviteten i att lösa upp nano-knuten. Skyrmionens stabilitet ändras med upp till en faktor 10, 000, där den mest stabila konfigurationen kan motstå hundra biljoner upplösningsförsök innan knuten lossnar."

Den nya förståelsen för hur man löser magnetiska knutar är baserad på en exakt jämförelse av experiment utförda i Aachen med teoretiskt arbete av forskarna från Kiel och Reykjavík. Atomistiska datorsimuleringar, baserad på nya teoretiska verktyg som tog många år att utveckla, kan spåra varje atommagnets rörelse i avbindningsprocessen. "Tack vare användningen av materialspecifika interaktionsparametrar erhållna från kvantmekaniska beräkningar, simuleringarna visar en mycket bra matchning med de innovativa experimenten, " förklarar professor Stefan Heinze. För experimenten, enstaka elektroner deponeras på distinkta positioner inom skyrmion. Vid varje position, det bestäms om nano-knuten förblir närvarande eller försvinner med hjälp av överskottsenergin från de extra elektronerna. Baserat på denna information, kartor över sannolikheten att lyckas lösa upp knuten har skapats. "Överensstämmelsen mellan experiment och simulering är imponerande, " kommenterar Stephan von Malottki, Universitetet i Kiel, vem som utförde simuleringarna. "Det är en stor framgång för vårt teoretiska tillvägagångssätt, " tillägger Dr. Pavel Bessarab från Reykjavik, WHO, tack vare ett Alexander von Humboldt-stipendium, arbetade i professor Stefan Heinzes forskargrupp i Kiel 2019.

Forskarna tror att de nya insikterna om gränserna för stabiliteten för de magnetiska nanoknutarna kommer att bidra till att göra dem ännu mer stabila i praktiken. Förbättrad stabilitet hos skyrmioner kommer att göra deras tillämpning i informationsbehandling mer effektiv. Detta kan hjälpa nano-knutarna att tillämpas i kommersiell datalagring inom en snar framtid, enligt forskarna.

Skyrmionens jämviktsstruktur som visas på toppen (färgade koner symboliserar orienteringen av atommagneterna) kan förfalla på två olika sätt (vänster och höger). Dessa vägar har upptäckts med hjälp av datorsimuleringar. Övergångsstrukturen visas i andra raden. Den tredje raden visar motsvarande energifördelning under övergången med en energikulle som markerar den avgörande omkastningen av en enda atommagnet. Kartor i den nedersta raden visar övergångshastigheterna för båda processerna. Dessa kartor har bestämts experimentellt genom att deponera ytterligare elektroner på 200 olika positioner inom skyrmion och bestämma om nano-knuten har lösts upp eller inte genom att mäta överskottsenergin hos elektronerna.