För första gången, ett all-RIKEN-team har tittat på hela livscykeln för små magnetiska virvlar, avslöjar deras födelse, rörelse och död. Detta kommer att vara viktigt för att informera utvecklingen av framtida lågeffektminnesenheter baserade på dessa magnetiska virvlar.

Observerades första gången experimentellt 2009, skyrmioner bildas när magnetfälten i ett materials atomer organiseras i virvelliknande strukturer. Skyrmioner kan driva runt som om de vore partiklar och är lovande för att förmedla data i datorchips och minnesenheter med låg effekt.

Forskare har tidigare studerat hur skyrmioner beter sig under enskilda skeden av deras liv. Men dessa händelser äger vanligtvis rum vid mycket olika tidsskalor - från mindre än en nanosekund till många mikrosekunder - och i längder som sträcker sig från nanometer till mikrometer. Det har gjort det svårt att följa en skyrmion under hela dess liv och att förstå hur flera skyrmioner interagerar under den tiden.

"Detta beteende skulle direkt bestämma prestandan hos skyrmion-baserade minnesenheter, " noterar Takahiro Shimojima från RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS).

Nu, Shimojima och sex CEMS-kollegor har studerat skyrmion under hela sin livstid i en tunn film av koboltzinkmangan.

Eftersom skyrmioner vanligtvis kan leva i över ett år i detta magnetiska material, teamet sådde filmen med galliumjoner, införa slumpmässiga defekter som inskränkte skyrmionernas liv. "Det gjorde det möjligt för oss att observera skyrmionens hela livscykel, " Shimojima säger. "Det härmar också bättre de ofullkomliga materialen som skulle användas i praktiska skyrmion-baserade enheter."

Teamet placerade filmen i ett magnetfält och studerade den med hjälp av ett elektronmikroskop och två lasrar som kan avfyra nanosekundspulser av ljus. Den första lasern exciterade provet för att generera skyrmioner, innan den andra lasern utlöste en skur av elektroner i mikroskopet för att undersöka skyrmionerna.

Den första laserpulsen skapade en sats skyrmioner inom en nanosekund. Efter cirka 5 nanosekunder, dessa skyrmioner drogs ihop och bildade cirkulära former som var ungefär 160 nanometer breda. När de var 10 nanosekunder gamla, skyrmionerna började röra sig genom materialet. Vid 100 nanosekunder, de samlades i hexagonala former som överlevde i ytterligare 200 nanosekunder eller så, innan de glider isär under de följande mikrosekunderna. Så småningom, skyrmionerna började smälta samman med varandra, dör cirka 5 mikrosekunder efter födseln.

"Denna information bör hjälpa oss att förstå de faktorer som kan begränsa prestandan hos skyrmion-baserade enheter, " säger Shimojima. Experimenten visar också hur defekter i magnetiska material kan användas för att kontrollera skyrmioner i sådana enheter.

Teamet hoppas nu kunna utveckla nästa generations magnetiska minnesenheter genom att utnyttja deras nyfunna förmåga att realisera snabb och repeterbar kontroll av skyrmioner.