Röntgenmicroscoopopnames van verschillende skyrmionzakken (afb: Max Borninstituut)

Skyrmionen zijn topologische stabiele wervels in velden, vernoemd naar de Britse natuurkundige Tony Skyrme. Dat is natuurlijk al taai materiaal, waar niet iedereen dagelijks mee te maken krijgt, maar nu hebben onderzoekers van, onder meer, het Max Borninstituut het nog eens wat moeilijker gemaakt om skyrmionen te verpakken in zakken. Dat zijn dan weer topologisch geladen spinstructuren die zich uitstrekken voorbij de bekende individuele skyrmionen. Van die skyrmionen en hun constructies wordt veel verwacht op het gebied van spintronica en gegevensopslag. Vandaar.
Magnetische skyrmionen zijn nanometergrote, stabiele magnetisatiewervelingen met veelbelovende toepassingen. Hun eenvoudigste vormen zijn uitgebreid bestudeerd en zijn cirkelvormig, met spins die 180° van buiten naar binnen draaien. De spins in het centrum zijn dus tegengesteld georiënteerd aan die aan de buitenkant. Complexere configuraties zijn onder andere het zogenaamde skyrmionium, waarbij de spins 360° roteren. De spins in het centrum van het skyrmionium hebben dan dezelfde oriëntatie als die aan de buitenkant, wat resulteert in een ringvormige structuur.
Het is opmerkelijk dat deze ring vervolgens opnieuw kan worden gevuld met skyrmionen, wat, met één skyrmion erin, een doelskyrmion wordt genoemd, en met meerdere skyrmionen erin een skyrmionzak. Hoewel dergelijke configuraties van hogere orde theoretisch zijn voorspeld, is tot nu toe vrijwel onmogelijk gebleken ze in bestaande materialen te verwezenlijken.
In een nieuwe studie laat de onderzoekers zien hoe gerichte nanoschaalmodificaties van de magnetische eigenschappen van het materiaal, geïntroduceerd door gerichte bestraling met heliumionen, de vorming van deze complexe spinstructuren mogelijk maken. Deze lokale veranderingen in magnetische anisotropie zijn ontworpen om de gewenste skyrmionzakken specifiek te creëren met behulp van individuele ultrakorte laserpulsen.

De resulterende magnetische texturen, met structuren van minder dan 100 nanometer, werden direct zichtbaar gemaakt met behulp van een röntgenmicroscoop met hoge resolutie, uitgerust met een speciaal ontwikkeld lasersysteem van het Max Borninstituut.

Gevulde ‘zakjes’

De onderzoekers demonstreren de voming van verschillende skyrmion-zakjes, van lege skyrmioniums tot zakjes gevuld met vier skyrmionen . Ze ontdekten dat lasergeïnduceerde aanmaal aanzienlijk succesvoller en reproduceerbaarder is dan een aanpak die uitsluitend gebaseerd is op een aangelegd magnetisch veld.

De herhaalbare en consistente vorming van deze structuren is een cruciale voorwaarde voor toekomstige experimenten die de dynamiek van deze hogere-orde skyrmionen onderzoeken. Dit werk opent een praktische manier om complexe skyrmiontoestanden specifiek te bestuderen en toe te passen in dunne magnetische materialen, wat een belangrijke stap betekent in de richting van toekomstige spintronische apparaten die topologische controle op nanoschaal gebruiken.

Bron: idw-online.de