Skräddarsytt material gör snabbare skyrmioner – Physics World

Skräddarsytt material gör snabbare skyrmioner – Physics World

Tidsstämpel: 6 november 2023 4:00

Diagram av två skyrmioner antiferromagnetiskt kopplade till varandra, representerade av grupper av färgade pilar
Två skyrmioner antiferromagnetiskt kopplade: Spinn i mitten och utsidan är antiparallella med varandra. Skyrmioner i denna konfiguration kan fås att diffundera mer än 10 gånger snabbare än deras naturliga drifthastighet. (Med tillstånd: ill./©: Takaaki Dohi/Tohoku University)

Skyrmioner – kvasipartiklar med en virvelliknande struktur – kan fås att diffundera mer än 10 gånger snabbare än deras naturliga drifthastighet i specialdesignade material utvecklade av forskare i Tyskland och Japan. Denna snabbare rörelse kan komma väl till pass för nya former av beräkningar som fungerar med slumpmässiga (stokastiska) processer som den brownska rörelsen av partiklar.

Skyrmioner består av många elektronsnurr och kan ses som tvådimensionella virvlar (eller "snurrstrukturer") i ett material. De finns i många magnetiska material, inklusive kobolt-järn-kisel och mangan-silicid tunna filmer där de först upptäcktes. Förutom att vara av intresse för fundamental fysik av kondenserad materia, har skyrmions rönt stor uppmärksamhet de senaste åren som en möjlig grund för framtida hårddiskteknologier.

Dagens hårddiskar lagrar information i magnetiska domäner, som är områden där alla magnetiska snurr är riktade i samma riktning. Det finns grundläggande begränsningar för hur små dessa domäner kan vara, vilket begränsar lagringskapaciteten. Skyrmioner, däremot, mäter bara tiotals nanometer i diameter och kan därför användas för att skapa lagringsenheter med mycket högre densiteter. En ytterligare fördel är att medan vändning av alla snurr i konventionella domäner – för att växla en enhets minnestillstånd från 1 till 0, till exempel – kräver en avsevärd mängd kraft och kan vara långsam, skulle en skyrmion-baserad switch kräva många färre snurr. . Dessutom skulle det slutliga spinntillståndet i ett sådant system vara robust mot yttre störningar, vilket gör skyrmionstrukturer mer stabila än konventionella magnetiska domäner.

Stokastisk dynamik för mycket energieffektiva datorer

Skyrmioner kan fås att röra sig genom att applicera en liten extern elektrisk ström på en magnetisk tunn film, men de rör sig också naturligt och slumpmässigt tack vare diffusion. Sådan stokastisk dynamik har väckt stort intresse nyligen eftersom de kunde utnyttjas för att göra mycket energieffektiva datorer, säger Takaaki Dohi, en spintronikforskare vid Universitetet i Tohuku som ledde utvecklingen av de nya materialen.

Dohi noterar att de distinkta topologiska egenskaperna hos magnetiska skyrmioner ger upphov till en speciell version av Magnus-kraften, som lyfter snurrande föremål när de rör sig genom en vätska. Den gyrotropiska kraften, som den är känd, gör att ferromagnetiska skyrmioner rör sig i cirklar snarare än längs raka linjer. Denna cirkulära rörelse minskar drastiskt skrymionernas diffusiva rörelse jämfört med normala Brownska partiklar, som (som anges av Albert Einstein i hans landmärke 1905 studie av Brownsk rörelse) uppvisar ett omvänt förhållande mellan partikelfriktion och diffusionskoefficienten.

Viktigt är dock att riktningen för skyrmionernas cirkulära rörelse (medurs eller moturs) beror på en egenskap som kallas deras topologiska laddning, som relaterar till slingrandet av deras virvelliknande strukturer. Detta betyder att om två skyrmioner med motsatta lindningsnummer kan kopplas samman, kommer deras respektive gyrotropiska krafter att upphäva och deras diffusiva rörelse kommer att öka. En dator baserad på denna typ av "gyrotropiskt kompenserade" skyrmioner skulle alltså vara snabbare och förbruka mindre energi .

Ökad skyrmiondiffusion

Dohi och kollegor på Johannes Gutenberg universitet i Mainz och den Universitetet i Konstanz har nu visat denna typ av kopplingsbaserad kompensation i flerskiktsstaplar av material. Varje stack är sammansatt av två individuella ferromagnetiska skikt gjorda av kobolt-järn-bor som är åtskilda av en iridium-distans. Genom att kontrollera tjockleken på denna struktur kunde forskarna skräddarsy tecknet och styrkan hos den antiferromagnetiska utbyteskopplingen mellan lagren. Genom att variera tjockleken på de enskilda ferromagnetiska lagren kunde de kontrollera nettosnurret. "På detta sätt kan vi ställa in de två konkurrerande gyrotropiska krafterna till kompensation", säger Dohi. "För 90 % kompensation, till exempel, finner vi att diffusionskoefficienten ökar med mer än en faktor 10 jämfört med en ferromagnetisk skyrmion."

I sin studie, som de beskriver i Nature Communications, undersökte forskarna skyrmions rörelser med hjälp av den magneto-optiska Kerr-effekten (MOKE), som detekterar nettomagnetiseringen av båda ferromagnetiska skikten. De kunde därför inte utforska gränsen för 100 % kompensation, för vilken deras teori förutspår en ännu större ökning av diffusion. "Det är därför vi undersöker andra (elektriska eller optiska) sätt som kan tillåta oss att gå till denna gräns", säger Dohi. "Till exempel, en magnetisk tunnelövergång placerad på toppen av en syntetisk ferromagnetisk kan lösa detta problem."

Medan skyrmioner i naturligt förekommande antiferromagneter också borde diffundera snabbare än deras ferromagnetiska motsvarigheter, har experiment hittills visat att de lider av stark "pinning", vilket saktar ner deras rörelse. "Vårt resultat visar att syntetiska antiferromagneter är bättre i detta avseende eftersom de kombinerar ferromagneternas låga stiftningsfördelar och antiferromagneternas snabba dynamik", säger Dohi Fysikvärlden.

Forskarna undersöker också sätt att minska storleken på skyrmionerna i de syntetiska antiferromagneterna samt att ytterligare minska deras fastsättning. "Båda dessa aspekter är avgörande för skalbarheten och energieffektiviteten hos möjliga framtida enheter som utnyttjar dessa kvasipartiklar", avslutar han.

Tidsstämpel:

Mer från Fysikvärlden