Magnetiska skyrmioner är extremt små och stabila magnetiseringsvirvlar, ofta kallade "topologiska kvasipartiklar" eftersom en framväxande stabilitet omfattar denna spinn-ensemble. Som sådan kan skyrmioner manipuleras samtidigt som de behåller sin form. I ferromagnetiska tunna filmer kan de bekvämt skapas med en elektrisk strömpuls eller, ännu snabbare, med en laserpuls – om än hittills bara på slumpmässiga positioner i materialet. Skyrmioner är vetenskapligt intressanta ur två perspektiv:Å ena sidan föreställs magnetiska skyrmioner som informationsbärare i framtidens informationsteknologi. Å andra sidan kan skyrmioner i tunna magnetiska filmer fungera som en idealisk testbädd för att studera dynamiken hos topologiskt icke-triviala magnetiska kvasipartiklar.

För att göra framsteg på detta område krävs emellertid tillförlitlig generering av den magnetiska skyrmion vid kontrollerade positioner. Ett team av forskare, ledda av Max Born Institute, har nu uppnått full kontroll av skyrmiongenerationen i nanometerskala genom två oberoende tillvägagångssätt som använder He ⁺ -jonbestrålning eller användning av reflekterande masker på baksidan.

Under de senaste åren har stora framsteg rapporterats när det gäller att generera, utplåna och flytta magnetiska skyrmioner i magnetiska tunna filmer. Ett utmärkt verktyg för att undersöka dessa magnetiska texturer i nano-till mikrometerskala är att direkt avbilda dem - antingen med synligt ljus eller röntgenstrålar. Om vi ​​vill studera de dynamiska egenskaperna tillsammans med rumsliga egenskaper måste vi spela in en film som består av många bildrutor. Det är dock knappast möjligt att direkt spela in en skyrmion-film på relevanta tidsskalor av nano- eller till och med pikosekunder – den inhämtningstid som krävs för en enskild bildruta är vanligtvis för lång.

Detta problem löses vanligtvis genom att använda repetitiva stroboskopiska mätningar - så kallade "pump-probe-experiment" - där samma process upprepas om och om igen medan den avbildas. För att möjliggöra sådana tidsupplösta mätningar måste dynamiken hos den magnetiska skyrmion vara kontrollerbar och deterministisk. Ett team av forskare under ledning av Max Born Institute har nu etablerat två metoder för att på ett tillförlitligt sätt skapa skyrmioner på önskade positioner och för att styra deras rörelse – viktiga steg mot att spela in videor av rörliga skymioner.

En första metod bygger på bestrålning av den magnetiska filmen som är värd för skyrmionerna med en fokuserad heliumjonstråle för att flexibelt skapa mönster av olika former och storlekar i det magnetiska materialet. Viktigt är att denna lokala modifiering med mycket lätta joner endast påverkar materialets magnetiska egenskaper medan filmen förblir strukturellt intakt. Genom att använda heliumjoner är det möjligt att fördefiniera positioner där skyrmioner uppträder efter att ha utlöst deras skapelse med en kort puls av elektrisk ström eller laserljus (se fig. 1, där skyrmioner är kärnbildade i två rader av isolerade prickar).

Speciellt visar sig den magnetiska modifieringen vara skonsam nog för att till och med tillåta en kontrollerad lösgöring av skyrmion från dess generationsplats och dess efterföljande obehindrade rörelse. Dessutom, genom att kombinera en sådan skyrmion skapande plats med en vägledande kanal, kunde teamet visa kontinuerlig rörelse av en magnetisk skyrmion driven av elektriska strömpulser över tiotals mikrometer fram och tillbaka i den så kallade magnetiska racerbanan - helt undertrycka alla oönskade sidledsrörelse, vilket är inneboende för strömdrivna skyrmioner.

I ett andra tillvägagångssätt för att fördefiniera skymion-kärnbildningsplatser, designade forskarna nanomönstrade reflekterande masker på baksidan av det magnetiska materialet. Dessa masker gör det möjligt att kontrollera excitationsamplituderna som uppnås när man träffar den magnetiska filmen med en laser, vilket resulterar i precision i nanometerskala på den rumsliga fördelningen av magnetiska skyrmioner som skapas (se fig. 1, där skyrmioner kärnbildas på ett kvadratiskt rutnät).

Eftersom maskerna är förberedda på baksidan av den magnetiska filmen mitt emot den laserbelysta ytan, bibehåller tillvägagångssättet fri framsida åtkomst till den magnetiska filmen för t.ex. detektering av skyrmioner. Tillämpningen av denna baksida mask tillvägagångssätt med dess obehindrade åtkomst till den magnetiska filmen kan enkelt överföras till andra fotoinducerade växlingsfenomen för att lägga till nanometerkontroll på de växlade områdena.

Resultaten av dessa studier, publicerade i Nano Letters och Fysisk granskning B , kan också påverka forskning om nya dator- och datalagringskoncept. Under de senaste decennierna har vi observerat en efterfrågan på ständigt ökande datalagringstätheter och effektiv beräkningskapacitet, vilket framkallat ett enormt industriellt intresse för att utforska magnetiska effekter som är aktiva på ultrasnabba och ultrasmå skalor för tekniska tillämpningar. En möjlig kandidat som nästa generations informationsbärare är den magnetiska skyrmion. Med den uppnådda nivån av kontroll för skyrmiongenerering och rörelse och potentialen för ännu ytterligare miniatyrisering, kan teknologin i slutändan bana väg för möjliga framtida enheter, såsom skyrmion racerbanminnen, skiftregister och skyrmion logiska grindar. + Utforska vidare

Deterministiskt integrerad manipulation av magnetiska skyrmioner uppnådd i nanostrukturerad enhet