Forskare vid universitetet i Augsburg och universitetet i Wien har upptäckt samexisterande magnetiska skyrmioner och antiskyrmioner med godtycklig topologisk laddning vid rumstemperatur i magnetiska Co/Ni flerskiktiga tunna filmer. Deras resultat har publicerats i Nature Physics och öppnar möjligheten för ett nytt paradigm inom skyrmionikforskning.
Upptäckten av nya spinnobjekt med godtycklig topologisk laddning lovar att bidra till framsteg inom grundläggande och tillämpad forskning, särskilt genom deras tillämpning i informationslagringsenheter.
Magnetiska skyrmioner är lokaliserade, stabila topologiska magnetiska spinnstrukturer som liknar en tornadoliknande virvel i ett magnetiskt material. De kan vara mycket små, med diametrar i nanometerintervallet, och bete sig som partiklar som kan flyttas, skapas och förintas, vilket gör dem lämpliga för tillämpningar av "kulram"-typ i informationslagring och logiska enheter.
I deras artikel i Nature Physics , med titeln "Dipolära skyrmioner och antiskyrmioner med godtycklig topologisk laddning vid rumstemperatur", visar en grupp forskare vid universitetet i Augsburg under ledning av prof. Manfred Albrecht att dessa spinnobjekt endast kan hittas i en distinkt fasficka i stabilitetsdiagrammet där kvalitetsfaktorn Q har ett värde på cirka 1, vilket ges av förhållandet mellan den enaxliga magnetiska anisotropin och den magnetiska formanisotropin.
Tack vare omfattande simuleringar utförda av Sabri Koraltan och kollegor från simuleringsgruppen vid universitetet i Wien, ledd av prof. Dieter Suess, och med stöd av doktor Nikolai Kiselev från Forschungszentrum Jülich, kunde forskarna också identifiera de exakta orsakerna till spinn. objekt kan hittas i stabilitetsdiagrammet, deras underliggande bildningsprocess, samt de nödvändiga materialegenskaperna som nu även kan tillämpas på andra materialsystem.
"Vi är mycket entusiastiska över de spännande insikter som upptäckts av dessa spinnobjekt, som enkelt kan tillverkas vid rumstemperatur. Detta är ett enastående vetenskapligt framsteg inom området skyrmioner och topologiska spinnobjekt", säger Albrecht. Dessa skyrmioniska spin-texturer i nanoskala ger extra frihetsgrader och kan bäddas in i tunnfilmsenheter som möjliggör olika applikationer, allt från okonventionell datoranvändning till nya lagringskoncept.
En ytterligare mycket väsentlig aspekt av snurrobjekt är att en spinnpolariserad ström inducerar deras rörelse. När en laddningsström passerar genom ett ledande magnetiskt material, kommer det polariserade elektronspinnet att utöva ett vridmoment på magnetiseringen som kallas spin-överföringsmomentet. Detta vridmoment kan sätta skyrmioner av högre ordning i rörelse.
"Med hjälp av mikromagnetiska simuleringar kunde vi demonstrera den effektiva kontrollen av rörelsen hos dessa extraordinära snurrobjekt, vilket öppnar upp för ytterligare möjligheter för skyrmioniska enheter", säger Koraltan, doktorand från universitetet i Wiens beräkningsgrupp.
Lorentz transmissionselektronmikroskopi vid University of Augsburg användes flitigt i studien, som för närvarande utökas för att visualisera den ströminducerade rörelsen hos dessa multipelladdningsspinnobjekt.
"I vilken utsträckning våra förutsägelser om deras rörelseegenskaper kan bekräftas experimentellt kommer att bli mycket spännande att forska inom den närmaste framtiden", säger Mariam Hassan, postdoktor vid University of Augsburg.
Mer information: Mariam Hassan et al, Dipolära skyrmioner och antiskyrmioner med godtycklig topologisk laddning vid rumstemperatur, Naturfysik (2024). DOI:10.1038/s41567-023-02358-z
Journalinformation: Naturfysik
Tillhandahålls av University of Augsburg
