Magnetické kvazičástice zvané skyrmiony se přitahují nebo odpuzují v závislosti na intenzitě přiloženého magnetického pole. Tvrdí to mezinárodní tým vědců, jejichž nejnovější společná práce přináší nové pohledy na základní fyzikální zákony magnetických materiálů a mohla by vést také k vývoji dokonalejších paměťových zařízení.
Existenci nového typu elementárních částic navrhl poprvé v padesátých letech britský fyzik Tony Skyrme. Pozorovat se je ale podařilo až v roce 2009. Už předtím bylo známo, že se určité kolektivní částicové excitace (kvazičástice) v magnetických pevných látkách chovají právě jako skyrmiony.
V pevných látkách připomínají víry a jsou topologicky chráněny před vnějšími vlivy, což znamená, že přežívají velmi dlouho a jsou odolné vůči externímu rušení, jako je například šum. Skyrmiony mohou být extrémně malé a dají se ovládat použitím relativně malého množství energie. Dohromady takové vlastnosti napovídají, že by tyto částice mohly být použity k vytváření hustých a energeticky nenáročných počítačových pamětí. Skyrmiony je totiž možné vytvářet a mazat, aniž by se navzájem nějak ovlivňovaly jako magnetické bity u klasických pevných disků. To je unikátní vlastnost, která z nich dělá zajímavý objekt pro další bádání.
Čínští fyzici a jejich kolegové z Ruska, Švédska a Německa v nové společné práci studovali skyrmiony, které vznikají, když je aplikováno magnetické pole na nanopásek ze sloučeniny germania a železa (FeGe). Tyto 3D skyrmiony jsou válcovými magnetickými víry o průměru cca 40 nm. Rozšiřují se pod povrch nanopásku a mohou se pohybovat ve směru kolmém na přiložené magnetické pole.
Použitím Lorentzovy transmisní mikroskopie pozoroval tým pohyb jednotlivých skyrmionů a z toho odvodil, jak navzájem interagují. Vědci rovněž zkoumali, jak skyrmiony interagují s hranami nanopásku, který byl přibližně 430 nm široký, 120 nm silný a 1600 nm dlouhý.
Tým nejprve sledoval nanopásek, který obsahoval desítky skyrmionů. V relativně nízkém magnetickém poli (260 mT) tvořily skyrmiony řetězce nebo klastry přímo na hranách nanopásku nebo v jejich blízkosti. Když magnetické pole stouplo na hodnotu 390 mT, klastry a řetězce se pohybovaly pryč od hran směrem ke středu pásku, kde byla konfigurace klastrů a řetězců zachována. Když se pole zvýšilo na hodnotu 480 mT, klastry a řetězce se rozbily a skyrmiony se rozložily podél středu nanopásku.
Fyzici se domnívají, že vytváření řetězců a klastrů při nízkých hodnotách magnetického pole je výsledkem přitažlivých interakcí mezi skyrmiony. Migrace skyrmionů směrem od hran pásků a následné rozbití řetězců a klastrů napovídá, že interakce mezi samotnými skyrmiony, a mezi skyrmiony a hranami, se při vyšších hodnotách magnetického pole mění na odpudivé.
Fyzici si všimli, že vytváření klastrů se může vyskytovat také v systémech částic s odpudivým působením, a proto se zaměřili na chování individuálních párů skyrmionů. Jejich další experiment začínal při nízké hodnotě magnetického pole se dvěma páry skyrmionů. Na každém konci nanopásku z FeGe byl jeden pár skyrmionů. Se zvyšováním hodnoty magnetického pole z 200 mT na 500 mT měřil tým vzdálenost mezi dvěma skyrmiony v páru a vzdálenosti mezi jednotlivými skyrmiony a hranou nanopásku.
Počáteční vzdálenost mezi skyrmiony v páru byla kolem 75 nm a velmi pomalu rostla až do okamžiku, kdy pole dosáhlo hodnoty 450 mT. Při této hodnotě pole se vzdálenost skokem zvětšila přibližně na 200 nm, kdy byla saturována do doby, než magnetické pole dosáhlo hodnoty 470 mT. Vzdálenost mezi skyrmiony a hranou nanopásku byla při nízkých hodnotách pole kolem 50 nm a vzrostla na 200 nm při hodnotě pole 420 mT. Podobné chování v opačném směru pozorovali fyzici, když magnetické pole klesalo až na hodnotu 200 mT. To ukazuje, že pozorované interakce jsou reálné a nejedná se o vliv defektů v nanopásku.
Experimenty ukazují, že interakce mezi skyrmiony a hranou se přepínají z přitažlivých na odpudivé při daleko nižší hodnotě magnetického pole než změna, která probíhá v interakci skyrmion – skyrmion. Tým provedl teoretické výpočty, které ukazují, že pozorované chování je možné vysvětlit použitím našich současných znalostí o 3D skyrmionech.
Nový výzkum by mohl pomoci přesněji stanovit hustotu, při které mohou být skyrmiony spojovány dohromady v paměťových prvcích. Měl by rovněž objasnit, jak na takové prvky ukládat data a jak je z nich vyvolávat.
Původní práce byla uveřejněna v časopise Physical Review Letters.
Mohlo by vás zajímat:
Páteřní
implantáty vytvořené 3D tiskem
Seismické
vlny a sloní komunikace
Atomové
magnetometry hledají podvodní objekty
Kvantové
baterie pro počítače budoucnosti