Gefrustreerde magneet kan nieuw type geheugen opleveren

Theoretisch natuurkundigen van de RUG hebben, met steun van Stichting FOM, ontdekt dat in zogeheten gefrustreerde magneten skyrmionen kunnen ontstaan. Dit zijn kleine magnetische wervelingen die te gebruiken zijn voor de opslag van gegevens. Hiermee is voor het eerst een nieuwe klasse materialen beschreven die bruikbaar is in ‘skyrmionica’, een onderzoeksveld dat geheugen en logische circuits wil maken met behulp van skyrmionen. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

De skyrmionica heeft zich de laatste paar jaren sterk ontwikkeld. De zeer kleine (minder dan 10 nanometer) magnetische wervelingen beloven een nieuwe manier om geheugen en logische circuits te maken die compact en energiezuinig zijn.

Belletjesgeheugen

‘Overigens is er al in 1967 door het Amerikaanse Bell Labs een geheugensysteem voor computers uitgevonden dat werkt met magnetische belletjes, wat feitelijk grote skyrmionen zijn’, vertelt Maxim Mostovoy, RUG-hoogleraar theoretische natuurkunde. Dit belletjesgeheugen werd in de jaren 1980 snel verdrongen door op silicium gebaseerd geheugen dat veel compacter is. Het wordt nu alleen nog voor speciale toepassingen gebruikt, omdat het zeer robuust is, geen bewegende onderdelen heeft en dus onder moeilijke condities goed blijft werken.

Gefrustreerde magneten

Skyrmionen zijn tot nu toe alleen te maken in een speciaal type materiaal, de zogeheten chirale magneten. De kristalstructuur van dit materiaal is bijzonder: wanneer je die structuur spiegelt, heeft deze niet dezelfde eigenschappen. ‘Maar om de skyrmionica verder te helpen hebben we meer typen materiaal nodig waarin skyrmionen voorkomen’, zegt Mostovoy. Samen met zijn postdoc Andrey Leonard (die nu werkt aan de Technische Universität Dresden) ontdekte hij zo’n nieuw type materiaal: gefrustreerde magneten.

Kristal van skyrmionen

In een gewone magneet vertoont het magnetische moment een parallel of antiparallel patroon. In een gefrustreerde magneet is er een wisselwerking tussen parallelle en antiparallelle domeinen. Mostovoy: ‘Daardoor raakt het magnetische moment in de kristallen verward – het wordt door tegengestelde krachten in een spiraalstructuur gedwongen.’ Mostovoy heeft nu laten zien dat die structuur door het aanbrengen van een magnetisch veld een kristal oplevert van skyrmionen.

Minder energie

‘Bovendien vonden wij dat de skyrmionen in gefrustreerde magneten veel interessantere eigenschappen hebben dan in chirale magneten’, vertelt Mostovoy. ‘Het magnetisch moment kan in de ‘gefrustreerde’ skyrmionen bijvoorbeeld draaien, wat in chirale magneten niet kan.’ De rotatie is gekoppeld aan het elektrisch dipoolmoment van het skyrmion, en dat is te gebruiken om extra informatie op te slaan. In chirale magneten is de informatie gecodeerd door de positie van het skyrmion: 1 als er een skyrmion aanwezig is, 0 als het afwezig is. In gefrustreerde magneten kan 1/0 worden gecodeerd door de opwaartse of neerwaartse stand van het elektrisch dipoolmoment. Dat laatste kost minder energie dan het eerste.

Verder moeten skyrmionen in chirale magneten worden verplaatst met behulp van een elektrische stroom. Maar in gefrustreerde magneten kan dat met een elektrisch veld. ‘Hiervoor is geen stroom nodig, zodat het minder energie kost en minder warmte produceert in eventuele toepassingen.’

Theoretisch

De ontdekking van skyrmionen in gefrustreerde magneten is alleen nog gebaseerd op theorie. Het bestaan van de nieuwe skyrmionen en hun eigenschappen is door Leonard en Mostovoy beschreven aan de hand van theoretische modellen. ‘We hopen dat experimenteel natuurkundigen onze resultaten snel bevestigen.’ De uitdaging is dan vooral om voorbeelden te vinden van het nieuwe materiaal waarin bij kamertemperatuur skyrmionen aanwezig zijn, een voorwaarde voor praktische toepassingen. Die barrière is al genomen voor chirale magneten en Mostovoy hoopt dat dit ook snel zal gelden voor gefrustreerde magneten. ‘Het is een zeer interessant type materiaal, ons artikel voorspelt ook andere interessante topologische verschijnselen in gefrustreerde magneten.’

Meer informatie

Artikel: Frustrated magnets point towards new memory

Referentie: A. O. Leonov and M. Mostovoy, Multiply periodic states and isolated skyrmions in an anisotropic frustrated magnet. Nature Communications DOI: 10.1038/ncomms9275

Contactgegevens: Maxim Mostovoy , afdeling Theorie van de Gecondenseerde Materie - Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM), RUG.