Spiralende skyrmionen wijzen de weg naar nieuwe elektronica

Fundamenteel onderzoek naar de beweging van skyrmionen, kleine en uiterst stabiele magnetische objecten die voorkomen in bepaalde dunne kristallen, is een stimulans voor de ontwikkeling van kleinere en energiezuiniger elektronica en geheugen. Maxim Mostovoy, theoretisch natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen, maakt deel uit van een team dat het raadsel van de spiralende skyrmionen oploste. Hun resultaten zijn zondag 26 januari gepubliceerd in Nature Materials.

In dit artikel gaat het over skyrmionen die met behulp van een magnonstroom in beweging worden gezet. Maar weinig mensen zullen die beide termen kennen. Dus voordat we Mostovoy aan het woord laten even een korte uitleg over deze twee begrippen. Even doorbijten!

Een skyrmion is een complexe magnetische, wervelachtige structuur. Die is het best te omschrijven als een rond object waarbij de richting van het magnetisch moment aan de buitenste rand tegenovergesteld is aan die van het centrum. Tussen de rand en het centrum bevinden zich concentrische ringen waarin de magnetisatie overgaat van de ene naar de andere richting.

En dan nu de magnonstroom. Dit is feitelijk een spin golf, maar dat verheldert de zaak ook niet heel erg. Maar een spin golf is vergelijkbaar met de ‘wave’ die door stadions gaat. Spin is een kwantummechanische eigenschap van deeltjes die hun hoekmoment bepaalt en twee standen kent: op of neer. De spin kan omklappen tussen deze standen. Wanneer een deeltje omklapt, zal het deeltje ernaast dit voorbeeld volgen, net zoals een toeschouwer die opstaat tijdens een ‘wave’ wanneer zijn buurman dat doet. De spin valt vervolgens terug in de uitgangspositie, vergelijkbaar met de toeschouwer die weer gaat zitten als de ‘wave’ voorbij is.

Goed, maar wat kunnen we hier nu allemaal mee? Wel, je kunt bijvoorbeeld de aan- of afwezigheid van een skyrmion meten. Omdat ze erg stabiel zijn, zou je skyrmionen dus kunnen gebruiken als manier van dataopslag - wanneer je ze ten minste op een specifieke plek kunt neerzetten. De aanwezigheid lees je dan uit als een 1, de afwezigheid als een 0 en je hebt een binair opslagmedium.

Spiraalvormige baan

‘Skyrmionen zijn zeer stabiele structuren met een grootte van een paar nanometers tot een micrometer in diameter’, legt Maxim Mostovoy uit. ‘Wetenschappers zoeken al een tijd naar een manier om ze te gebruiken voor dataopslag en het maken van elektronische schakelingen.’

Enkele jaren geleden onderzocht een Japans team skyrmionen met behulp van een elektronenbundel. Wanneer ze de skyrmionen daar mee beschenen, begonnen ze in een spiraalvormige baan door het materiaal te bewegen. Zij draaiden daarbij steevast één kant op, met de klok mee. Mostovoy ging als theoreticus meedenken over een verklaring van die beweging.

De elektronen konden de beweging niet veroorzaken, want het fenomeen trad ook op in niet-geleidende materialen. Het leek daarom een thermisch effect: de elektronenstraal verwarmt het materiaal en er ontstaat een temperatuursverschil tussen de bestraalde plek en de omgeving. ‘En met een sterkere elektronenstraal gingen de skyrmionen sneller draaien.’

Verschillende theoretische verklaringen werden bedacht en getest in computersimulaties. Alles bij elkaar duurde het enkele jaren voordat Mostovoy en zijn collega’s het raadsel wisten op te lossen. Zij concludeerden dat de skyrmionen aangedreven worden door warmte die zich van binnen naar buiten beweegt in de vorm van een ‘spin golf’.

‘Een spin golf die een skyrmion raakt, ketst af’, legt Mostovoy uit. ‘De golf ketst altijd één kant op, en het skyrmion krijgt daardoor een zetje in de tegenovergestelde richting. Wat bijzonder is aan deze botsing is dat de golf een kwantummechanisch effect is, dat een object in de macroscopische wereld (het skyrmion) in beweging zet.

Spintronica

‘Door dit onderzoek weten we hoe we skyrmionen kunnen verplaatsen’, zegt Mostovoy. ‘Dat kon al, maar alleen met behulp van een elektrische stroom. Verplaatsing met een spin golf is veel zuiniger.’ Dat is goed nieuws voor onderzoekers die werken aan ‘spintronica’, elektronische componenten die werken op basis van de spin van deeltjes, in plaats van de spanning van elektronen.

Mostovoy hoort daar overigens niet bij. ‘Mijn doel is om de fundamentele eigenschappen van materie te leren begrijpen. Alles om ons heen bestaat uit materie. Maar hoe kan materie zichzelf organiseren? Er zijn eindeloze mogelijkheden en ik wil weten hoe materie in elkaar zit.’ Wel werkt Mostovoy binnen het Zernike Institute of Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen, waar veel van zijn collega’s de fundamentele kennis proberen om te zetten in toepassingen.

De nieuwe publicatie is het derde artikel in vier maanden in Nature Materials waar Mostovoy aan meewerkt. In 2012 maakte het Centre for Science and Technology Studies van de Universiteit Leiden bekend dat Mostovoy hoorde bij de tien meest invloedrijke Nederlandse wetenschappers, gebaseerd op het aantal citaties.

Referentie: Thermally driven ratchet motion of a skyrmion microcrystal and topological magnon Hall effect, Nature Materials AOP 26 januari 2014

Zie ook dit eerdere bericht over Mostovoy: Nieuwe techniek helpt onderzoek naar energiezuinig geheugen

Meer informatie over de opleiding theoretische natuurkunde van de faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de RUG.