Bias-field control of the Neel skyrmion nonlinearity in a confined nanostructure

In de wereld van de moderne elektronica wordt de stroom van elektriciteit meestal behandeld als water in een pijp: gestaag, voorspelbaar en uniform. Spintronica, een nieuwer veld, kijkt echter naar een andere eigenschap van elektronen: hun spin. Stel je elk elektron voor als een klein tollend object. In bepaalde magnetische materialen kunnen deze tollen zich rangschikken in draaiende patronen die stabiel maar flexibel zijn. Een van de meest fascinerende van deze patronen wordt een skyrmion genoemd. Het is een microscopische magnetische vortex, ongeveer zo groot als een virus, die door een materiaal geduwd kan worden zonder uit elkaar te vallen. Omdat deze structuren zo klein en stabiel zijn, zien wetenschappers ze als potentiële bouwstenen voor de volgende generatie computers, die in staat zijn informatie op te slaan of berekeningen uit te voeren op manieren die traditionele siliciumchips niet kunnen.

De uitdaging is geweest om te achterhalen hoe je deze draaiende magneten precies kunt aansturen. Hoewel onderzoekers hebben geleerd hoe ze ze kunnen verplaatsen, bleef het controleren van de specifieke manier waarop ze trillen of oscilleren moeilijk. Deze trillingen zijn cruciaal omdat ze kunnen fungeren als minuscule signaalgeneratoren, vergelijkbaar met de kwartskristallen in een horloge, maar dan veel kleiner en potentieel veelzijdiger. Een recente studie door een team natuurkundigen in Rusland heeft een belangrijke stap voorwaarts gezet door aan te tonen hoe deze trillingen afgestemd kunnen worden met behulp van een eenvoudig magnetisch veld. Door een kleine, platte magnetische cilinder te bestudelen die een enkele skyrmion bevat, ontdekten de onderzoekers dat ze niet alleen de snelheid van de trilling konden veranderen, maar ook de aard van de trilling fundamenteel konden wijzigen, door het gedrag van de ene naar de andere soort te schakelen, enkel door de sterkte van een extern magneetveld aan te passen.

De onderzoekers richtten zich op een specifiek type skyrmion, bekend als een Néel-skyrmion, die ontstaat in zeer dunne lagen magnetisch materiaal. Ze stelden zich deze structuur voor als een kleine, draaiende schijf gevangen in een nanocilinder die slechts 50 nanometer breed en minder dan een nanometer dik is. Om te begrijpen hoe deze skyrmion beweegt, moesten ze rekening houden met het feit dat het geen rigide object is. Wanneer de skyrmion weg beweegt van het midden van de cilinder, wordt hij samengeperst en vervormd door de randen van het materiaal, net zoals een zachte bal vervormt wanneer deze tegen een muur wordt gedrukt. Het team ontwikkelde een wiskundig model dat de skyrmion behandelt als een flexibele vorm die van grootte en energie verandert afhankelijk van waar hij zich bevindt en hoe sterk het omringende magnetische veld is. Ze testten hun model tegen gedetailleerde computersimulaties om ervoor te zorgen dat hun vergelijkingen de fysieke realiteit van het systeem nauwkeurig weerspiegelden.

De kern van hun ontdekking ligt in de manier waarop een extern magnetisch veld, dat loodrecht op het oppervlak van de cilinder wordt toegepast, het gedrag van de skyrmion beïnvloedt. Toen de onderzoekers de sterkte van dit magnetische veld varieerden, observeerden zij twee verschillende effecten. Ten eerste fungeerde het veld als een afstemknop voor de frequentie van de oscillatie van de skyrmion, waardoor ze deze naar wens konden versnellen of vertragen. Dit is een nuttige mogelijkheid voor het creëren van apparaten die op specifieke frequenties moeten werken. De meer verrassende bevinding was echter het effect op de nonlineariteit van het systeem. In eenvoudige bewoordingen beschrijft nonlineariteit hoe de trilling verandert naarmate deze luider of energieker wordt. In veel systemen is deze relatie vaststaand, maar het team ontdekte dat ze door het magnetische veld aan te passen, deze relatie konden laten omdraaien.

Specifiek vonden de onderzoekers een kritiek punt waar het magnetische veld de nonlineariteitscoëfficiënt deed omkeren van teken. Dit betekent dat wanneer het veld een bepaalde drempel overschreed, de manier waarop de skyrmion op energie-inputs reageerde volledig veranderde. Bij één magnetische veldsterkte zou een toename in energie de frequentie in de ene richting kunnen verschuiven, terwijl bij een iets andere veldsterkte dezelfde toename in energie de frequentie in de tegenovergestelde richting zou laten verschuiven. Deze omkering was duidelijk zichtbaar in de vorm van de resonantiepieken, die de handtekeningen zijn van hoe het systeem reageert op verschillende frequenties. De simulaties toonden aan dat deze verandering geen kleine aanpassing was, maar een fundamentele verschuiving in de dynamiek van de oscillator.

De reden voor deze dramatische verandering ligt in de interactie tussen de skyrmion en de grens van het materiaal. Het magnetische veld verandert de grootte van de skyrmion en verandert de manier waarop deze met de randen van de cilinder interageert. Wanneer het veld in de ene richting wijst, krimpt de skyrmion en verzwakt de interactie met de rand, waardoor er meer ruimte ontstaat om te bewegen. Wanneer het veld in de tegenovergestelde richting wijst, breidt de skyrmion zich uit en wordt de interactie met de rand versterkt, waardoor hij effectief wordt samengeperst. Deze verandering in grootte en interactie wijzigt het energielandschap waar de skyrmion doorheen beweegt, wat op zijn beurt het teken van de nonlineariteit omkeert. Het team bevestigde dat hun theoretische voorspellingen met een hoge mate van nauwkeurigheid overeenkwamen met de computersimulaties, met verschillen van minder dan tien procent.

Dit vermogen om de nietlineaire eigenschappen van een skyrmion-oscillator te controleren door simpelweg een magnetisch veld te veranderen, opent nieuwe mogelijkheden voor de toekomst van computing. De onderzoekers suggereren dat deze afstembare elementen gebruikt kunnen worden om componenten te creëren voor neuromorfische computing, systemen die ontworpen zijn om de manier waarop het menselijk brein informatie verwerkt na te bootsen. In het brein kunnen neuronen op complexe, niet-lineaire patronen vuren om te leren en zich aan te passen. Door in staat te zijn om het gedrag van een skyrmion-oscillator van het ene type nonlineariteit naar het andere te schakelen, zouden ingenieurs potentieel hardware kunnen bouwen die geconfigureerd kan worden om verschillende soorten leertaken uit te voeren. Hoewel de studie werd uitgevoerd via theoretische modellering en computersimulaties in plaats van fysieke experimenten, bieden de resultaten een duidelijke routekaart voor hoe dergelijke apparaten gebouwd en aangestuurd kunnen worden, waardoor het concept van skyrmion-gebaseerde computing dichter bij de realiteit wordt gebracht.