I naturen kan den kollektiva rörelsen hos vissa fåglar och fiskar, såsom flockar av starar respektive stim av sardiner, generera imponerande dynamiska fenomen. Deras studie utgör aktiv materiavetenskap, vilket har varit ett ämne av stort intresse under de senaste tre decennierna.
Den unika kollektiva dynamiken hos aktiv materia styrs av varje enskild entitets rörelse, interaktionerna mellan dem, såväl som deras interaktion med omgivningen.
Nyligen genomförda studier visar att vissa självgående molekyler och bakterier uppvisar cirkulär rörelse med en fixerad kiralitet (egenskapen hos ett objekt där det inte kan överlagras på dess spegelbild genom hur många rotationer eller translationer som helst), vilket kan möjliggöra urval av molekyler och bakterier med specifik kiralitet baserat på deras dynamik. Det finns dock en brist på forskning om aktiva materieliknande föremål i icke-biologiska magnetiska och ferroelektriska material för applikationer för elektroniska enheter.
I detta avseende är kirala skyrmioner lovande. De är en speciell typ av spinntexturer i magnetiska material med asymmetriska utbytesinteraktioner, som kan behandlas som kvasipartiklar. De bär heltals topologiska laddningar och har en fast chiralitet på antingen +1 eller -1.
Nyligen har en grupp forskare, ledda av professor Masahito Mochizuki från Institutionen för tillämpad fysik vid Waseda University och inklusive Dr. Xichao Zhang från Waseda University och professor Xiaoxi Liu från Shinshu University, utförligt studerat kirala skyrmions beteenden med aktiv substans. Deras artikel är publicerad i tidskriften Nano Letters .
I denna studie placerade forskarna kirala skyrmioner i kirala nanostrukturhinder i form av en enkel kiral blomma. De studerade sedan den slumpmässiga vandringsdynamiken hos den termiskt aktiverade skyrmion som interagerar med det kirala blomliknande hindret i ett ferromagnetiskt lager, vilket kan skapa topologiberoende resultat.
"Vår forskning visar för första gången att magnetiska kirala skyrmioner uppvisar aktiva materieliknande beteenden även om de är av icke-biologiskt ursprung och till och med bara immateriella rumsliga mönster", säger Prof. Mochizuki.
Skyrmion med en kiralitet på -1 har potential att lämna en vänster kiral blomma, och skyrmion med en kiralitet på +1 har potential att lämna en höger kiral blomma. Forskarna genomförde en serie simuleringar för att observera hur skyrmioner skulle bete sig i båda fallen vid olika temperaturer:100 K, 150 K, 180 K och 200 K.
De ställer in simuleringstiden till 500 ns, med ett tidssteg på 0,5 ns. Teamet fann att beroende på kombinationen av variabler, förblir skyrmion antingen inom hindret eller undkommer det. Eftersom skyrmionens rörelse beror på temperaturberoende Brownsk rörelse, som är oordnad till sin natur, är detta ett intressant fall att få ett ordnat resultat genom oordnade rörelser. Speciellt kan detta system användas för att utveckla en topologisk sorteringsanordning.
På frågan om de långsiktiga konsekvenserna av deras arbete, kommenterar Prof. Liu:"Våra forskningsresultat kan vara användbara för att bygga framtida informationsbehandlings- och datorenheter med hög lagringstäthet och låg energiförbrukning."
"På lång sikt kan de ge riktlinjer för design och utveckling av icke-konventionell elektronisk och spintronisk hårdvara, där informationen bärs av topologiska spinntexturer i nanostrukturer. Denna prestation förväntas förbättra människors liv eftersom de skulle kunna bearbeta information på ett energieffektivt sätt, vilket leder till ett grönare samhälle", avslutar Dr. Zhang.
Mer information: Xichao Zhang et al, Chiral Skyrmions Interacting with Chiral Flowers, Nano Letters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03792
Journalinformation: Nanobokstäver
Tillhandahålls av Waseda University
