Nieuwe sluiproute zorgt voor sneller patroon in magneet

Natuurkundigen hebben een nieuwe route ontdekt waarmee sneller dan ooit een patroon van spins in een magneet gecreëerd kan worden. Met deze ‘sluiproute’ is een nieuw hoofdstuk in het onderzoek naar topologie aangebroken. Daarnaast biedt deze ontdekking een extra methode om efficiëntere magnetische dataopslag te kunnen realiseren. Het onderzoek wordt op 5 oktober gepubliceerd in Nature Materials.

Het was al bekend dat je een patroon van magnetische spins kunt omzetten met laserlicht. Natuurkundigen hebben nu echter een nieuwe route ontdekt waardoor dit heel snel kan, in minder dan 300 picoseconden (een miljoenste van een miljoenste seconde). Dat is veel sneller dan voorheen mogelijk werd geacht.

Nieuwe sluiproute zorgt voor sneller patroon in magneet

Artistieke illustratie van skyrmions (gekleurde bollen) tijdens de chaotische fase in de magneet, waardoor schakelen veel sneller kan gaan dan voorheen bekend. Credits: Dr. Bastian Pfau, Max-Born-Institut (Berlijn)

Handig voor dataopslag: skyrmions

Magneten bestaan uit allemaal kleine magneetjes die spins worden genoemd. Normaal gesproken wijzen de spins allemaal in dezelfde richting en bepalen daarmee de noord- en zuidpool. Maar het komt ook voor dat de richtingen van spins samen een wervelend patroon vormen. Dit wordt een skyrmion genoemd.

‘Die skyrmions in magneten zijn aantrekkelijk voor nieuwe vormen van dataopslag’, vertelt Johan Mentink, natuurkundige aan de Radboud Universiteit. Nijmeegse wetenschappers zoeken al lange tijd naar optimale manieren om magnetisme met laserlicht te controleren, om het uiteindelijk ook te gebruiken voor efficiëntere dataopslag. Bij deze techniek worden korte lichtpulsjes op een magnetisch materiaal afgevuurd en daarmee de magnetische spins in het materiaal omgepoold, waardoor een bit van een 0 in een 1 verandert.

‘Als je de magnetische spins eenmaal in de wervelende vorm van een skyrmion hebt, krijg je deze vorm er niet zomaar uit’, vertelt Mentink. ‘Bovendien zijn deze skyrmions slechts enkele nanometers (een miljardste meter) groot, waardoor je veel data op een klein stukje materiaal kunt opslaan.’

De bergpas afsnijden

De overgang tussen twee toestanden in een magneet – van spins één richting uit naar een skyrmion – kun je zien als een hoge bergtop waar je overheen moet. De onderzoekers hebben gevonden dat je als het ware de bergpas kunt afsnijden door het materiaal heel snel en kort te verwarmen met een laserpuls. De drempel voor de faseovergang wordt hiermee heel kort lager gemaakt.

Het bijzondere van deze nieuwe route is dat het materiaal eerst in een hele chaotische toestand wordt gebracht, waarbij de topologie, oftewel het aantal skyrmions in het materiaal, sterk fluctueert. De onderzoekers hebben deze route alleen kunnen vinden door röntgenstraling van de Europese vrije-elektronenlaser in Hamburg te combineren met supergeavanceerde elektronenmicroscopie en spindynamica-simulaties. ‘Daarmee is het onderzoek een enorme teamprestatie’, benadrukt Mentink.

Nieuwe vergezichten

Met deze fundamentele vinding is een nieuw hoofdstuk in de topologie aangebroken. ‘Ik verwacht nu dat veel meer wetenschappers gaan zoeken naar vergelijkbare snelle manieren om “de bergpas af te snijden” in andere materialen.’

Daarnaast opent deze vinding ook de deur naar nieuwe manieren van efficiëntere en snellere dataopslag. Hier is steeds meer behoefte aan, bijvoorbeeld vanwege de gigantische energieslurpende datacenters die vereist zijn voor onze massale dataopslag in de cloud. Magnetische skyrmions kunnen een oplossing bieden voor dit probleem. Ze zijn van zichzelf al heel klein, en doordat we nu weten dat je ze met licht heel snel kan creëren, kunnen we in potentie heel snel en efficiënt veel informatie opslaan op een klein oppervlak.

Het onderzoek was een samenwerking tussen MIT (Boston), Max-Born-Institut (Berlijn), Johannes Gutenberg Universität (Mainz), European XFEL (Hamburg), Technische Universität Berlin, Universität Göttingen, Deutsches Elektronen-Synchrotron, Universität Heidelberg, Politecnico di Milano en Radboud Universiteit.

Radboud Centre for Green Information Technology

Het Radboud Centre for Green Information Technology zet zich in om de energievraag in de komende decennia drastisch te verlagen via innovaties in IT. In het centrum werken wetenschappers van zo’n 15 onderzoeksafdelingen van de Radboud Universiteit met expertise in IT, neurowetenschappen, materialen, chemie, fysica, ecologie en milieu. Samen met industriële en maatschappelijke partners werken zij aan nieuwe, duurzame IT-toepassingen en aan oplossingen voor energie-efficiënt datagebruik. Zo zet het centrum gerichte stappen naar een duurzame toekomst. www.ru.nl/greenit

Publicatie

Observation of fluctuation-mediated picosecond nucleation of a topological phase, Nature Materials

DOI: http://dx.doi.org/10.1038/s41563-020-00807-1

Meer weten? Neem contact op met

  • Johan Mentink, j.mentink [at] science.ru.nlclass="externLink", 024 3653090
  • Persvoorlichting & Wetenschapscommunicatie Radboud Universiteit, 024 361 6000, media [at] ru.nl

Aan deze website wordt nog gewerkt. Meer informatie: 'een nieuwe website'.