Ett exotiskt, virvlande föremål med sci-fi-namnet på en ”magnetisk skyrmion” kan vara framtiden för nanoelektronik och minneslagring. Fysiker vid UC Davis och National Institute of Standards and Technology (NIST) har nu lyckats göra magnetiska skyrmions, som tidigare hittades vid temperaturer nära absolut noll, vid rumstemperatur.
’Detta är ett potentiellt nytt sätt att lagra information, och energikostnaderna förväntas bli extremt låga’, säger Kai Liu, professor i fysik vid UC Davis och motsvarande författare till ett papper om arbetet, publicerat i tidskriften Nature Communications Oct. 8.
Skyrmions beskrevs ursprungligen för över 50 år sedan som en typ av hypotetisk partikel i kärnfysik. Faktiska magnetiska skyrmions upptäcktes först 2009, som kirala mönster av magnetiska ögonblick – tänk på ett ögonblick som en liten kompassnål – i material nära absolut noll temperatur, i närvaro av ett starkt magnetfält.
Magnetiska skyrmions faller in i två typer, Liu sa: ’Bloch skyrmions’, med ett orkanliknande spiralmönster av magnetiska ögonblick runt ett vinkelrätt centrum, omgivet av magnetiska moment orienterade i motsatt riktning mot mitten; och ’igelkottar’, där de magnetiska stunderna orienterar sig som spikar på en igelkott eller sjöborre.
Det intressanta med magnetiska skyrmions, sa Liu, är att de är ’topologiskt skyddade:’ de kan deformeras kontinuerligt, på samma sätt som en kaffekoppsform kan deformeras till en bagelform, men de går inte lätt tillbaka till ett tillstånd där alla magnetiska moment är inriktade. Det betyder att de potentiellt kan lagra information till en energikostnad som är mycket lägre än nuvarande teknik, sa Liu.
Tillsammans med doktoranden Dustin Gilbert, nu postdoktor vid NIST, utformade Liu och kollegor en nanosyntesmetod för att uppnå konstgjorda ”Bloch” magnetiska skyrmions vid rumstemperatur. De skapade ett mönster av magnetiska nanodoter, var och en ungefär en halv mikron tvärs över, på en flerskiktsfilm där de magnetiska stunderna är inriktade normala till planet. De använde jonstrålebestrålning för att modifiera gränssnittet mellan prickarna och filmen för att möjliggöra ’avtryck’ av de magnetiska momenten i prickarna i filmen.
Med hjälp av neutronspridning vid NIST Center for Neutron Research kunde de lösa de magnetiska profilerna längs med djupet av hybridstrukturen. Kombinerat med magnetiska avbildningsstudier vid NIST och Lawrence Berkeley Laboratory kunde de hitta de första direkta bevisen på arrays av stabila spiralmagnetiska skyrmions under nanodotterna vid rumstemperatur, även utan ett yttre magnetfält.
Tillgängligheten av stabila magnetiska skyrmions vid rumstemperatur öppnar nya studier om deras egenskaper och potentiell utveckling i elektroniska enheter, till exempel icke flyktigt magnetiskt minneslagring.
Medförfattare på tidningen är Brian Maranville, Andrew Balk, Brian Kirby, Daniel Pierce, John Unguris och Julie Borchers på NIST, och Peter Fischer, LBL och UC Santa Cruz. Nanofabriceringsarbete och andra karakteriseringar utfördes i Lius laboratorium och vid Center for Nano and Micro Manufacturing vid UC Davis. Arbetet finansierades av National Science Foundation.