Ett team av forskare från Tyskland, Sverige och Kina har upptäckt ett nytt fysiskt fenomen:komplexa flätade strukturer gjorda av små magnetiska virvlar som kallas skyrmioner. Skyrmioner upptäcktes först experimentellt för lite över ett decennium sedan och har sedan dess varit föremål för många studier, samt ge en möjlig grund för innovativa koncept inom informationsbehandling som ger bättre prestanda och lägre energiförbrukning. Vidare, skyrmioner påverkar de magnetoresistiva och termodynamiska egenskaperna hos ett material. Upptäckten har därför relevans för både tillämpad och grundforskning.

Strängar, trådar och flätade strukturer kan ses överallt i det dagliga livet, från skosnören, till ylletröjor, från flätor i ett barns hår till de flätade stålkablarna som används för att stödja otaliga broar. Dessa strukturer ses också ofta i naturen och kan, till exempel, ger växtfibrer drag- eller böjhållfasthet. Fysiker vid Forschungszentrum Jülich, tillsammans med kollegor från Stockholm och Hefei, har upptäckt att sådana strukturer finns på nanoskala i legeringar av järn och metalloiden germanium.

Dessa nanosträngar är var och en uppbyggd av flera skyrmioner som vrids ihop i större eller mindre utsträckning, snarare som trådarna i ett rep. Varje skyrmion i sig består av magnetiska moment som pekar i olika riktningar och tillsammans tar formen av en långsträckt liten virvel. En enskild skyrmionsträng har en diameter på mindre än en mikrometer. Längden på de magnetiska strukturerna begränsas endast av provets tjocklek; de sträcker sig från en yta av provet till den motsatta ytan.

Tidigare studier av andra forskare hade visat att sådana filament till stor del är linjära och nästan stavformade. Dock, ultrahögupplösta mikroskopiundersökningar som genomförts vid Ernst Ruska-centret i Jülich. De teoretiska studierna vid Jülichs Peter Grünberg-institut har avslöjat en mer varierad bild:trådarna kan faktiskt sno sig ihop i olika grad. Enligt forskarna, dessa komplexa former stabiliserar de magnetiska strukturerna, vilket gör dem särskilt intressanta för användning i en rad applikationer.

"Matematik innehåller en stor variation av dessa strukturer. Nu vet vi att denna teoretiska kunskap kan översättas till verkliga fysiska fenomen, "Jülich-fysikern Dr. Nikolai Kiselev är glad att rapportera. "Dessa typer av strukturer inuti magnetiska fasta ämnen tyder på unika elektriska och magnetiska egenskaper. Dock, ytterligare forskning behövs för att verifiera detta."

För att förklara diskrepansen mellan dessa studier och tidigare, forskaren påpekar att analyser med ett ultrahögupplöst elektronmikroskop inte bara ger en bild av provet, som i fallet med, till exempel, ett optiskt mikroskop. Detta beror på att kvantmekaniska fenomen spelar in när högenergielektronerna interagerar med de i provet.

"Det är fullt möjligt att andra forskare också har sett dessa strukturer under mikroskopet, men har inte kunnat tolka dem. Detta beror på att det inte är möjligt att direkt bestämma fördelningen av magnetiseringsriktningar i provet från erhållna data. Istället, det är nödvändigt att skapa en teoretisk modell av provet och att generera en sorts elektronmikroskopbild från den, " förklarar Kiselev. "Om de teoretiska och experimentella bilderna matchar, man kan dra slutsatsen att modellen kan representera verkligheten." I ultrahögupplösta analyser av detta slag, Forschungszentrum Jülich med sitt Ernst Ruska-Centre räknas som en av de ledande institutionerna i världen.