RIKEN-fysiker har upptäckt hur interaktioner mellan elektroner kan stabilisera ett upprepande arrangemang av virvlande magnetiska mönster som kallas skyrmioner, som skulle kunna bidra till att ytterligare utnyttja dessa strukturer.

En elektrons spinn gör att den beter sig som en miniatyrmagnet. I en skyrmion, många av dessa snurr är arrangerade i ett virvlande mönster som liknar en liten tromb. Skyrmions är mycket lovande som ett sätt att bära information i en ny generation av högdensitet, lågenergidatalagringsenheter.

Skyrmioner beter sig som om de vore distinkta partiklar, och flera skyrmioner kan ordna sig i ett vanligt rutnät inom vissa typer av material. Men forskare diskuterar fortfarande hur dessa stabila skyrmiongitter bildas.

För att upptäcka mer om skyrmiongitter, Yuuki Yasui vid RIKEN Center for Emergent Matter Science och kollegor studerade ett metalliskt material som kallas gadoliniumruteniumsilicid (GdRu2Si2; Fig. 1). Elektroner i materialets gadoliniumatomer är till stor del ansvariga för dess magnetiska egenskaper, medan ruteniumatomerna bidrar med "resande" elektroner som är mer rörliga.

Teamet hade tidigare funnit att genom att applicera ett magnetfält på materialet, de kunde skapa ett kvadratiskt galler av skyrmioner arrangerade i ett rutmönster med intervaller på cirka 2 nanometer. I den nya studien, de använde en teknik som kallas spektroskopisk avbildning scanning tunneling microscopy (SI-STM) för att studera de ambulerande elektronerna i GdRu2Si2.

Forskarna kylde materialet till -271 grader Celsius och applicerade en rad magnetfält för att generera olika magnetiska mönster. SI-STM-mätningar visade att förändringar i materialets magnetiska mönster återspeglades i fördelningen av ambulerande elektroner. Avgörande, teamet såg också att skyrmiongittermönstret är inpräntat på materialets kringresande elektroner, på grund av interaktioner mellan spinn av lokaliserade och ambulerande elektroner.

Forskarna föreslår att dessa interaktioner kan spela en viktig roll i bildandet av det kvadratiska skyrmiongittret. "Den föreslagna mekanismen stabiliserar skyrmiongitter, säger Yasui.

Teamet utförde också teoretiska beräkningar, baserat på växelverkan mellan lokaliserade och ambulerande elektroner, att förutsäga fördelningen av ambulerande elektroner i materialet under olika magnetfält. Dessa fördelningar var mycket lika mönstren som observerades av SI-STM, ge stöd till den mekanism som forskarna föreslagit.

Förutom att ge ledtrådar om hur skyrmiongitter stabiliseras, forskningen visar att SI-STM kan användas för att indirekt övervaka skyrmions beteende. "Detta kan ge forskare ett användbart verktyg för att studera skyrmiongitter i andra material, säger Yasui.