Forskare har hittat ett nytt sätt att skapa exotiska magnetstrukturer med laserljus

Forskare i Lund har hittat ett nytt sätt att skapa nanometersmå magnetpartiklar, så kallade skyrmioner, med hjälp av ultrasnabba laserljuspulser. Upptäckten kan bana väg för nya och mer energieffektiva tekniska komponenter och bli användbara i framtidens kvantdatorer.

Magnetiska skyrmioner beskrivs ibland som magnetiska virvlar. Till skillnad från ferromagnetiska tillstånd – som förekommer i konventionella magneter som kompasser och kylskåpsmagneter – är skyrmiontillståndet ganska säreget: orienteringen hos magnetiseringen pekar inte i samma riktning överallt i materialet, utan beskrivs i stället bäst som ett slags virvlande magnetism. Skyrmioner är högintressanta för både forskare och industrin eftersom de kan användas i tillverkningen av nya mer kompakta datorminnen. Men det rör sig inte om några lättdresserade entiteter. För att använda skyrmioner för tekniska ändamål krävs effektiva sätt att skriva, radera och manipulera partiklarna på korta tidsskalor med hög rumslig precision. Men i en ny studie har ett forskarlag, sammansatt av Claudio Verdozzi från Lunds universitet samt Emil Viñas Boström och Angel Rubio från Max Planck-institutet för materiens struktur och dynamik i Hamburg, hittat ett nytt angreppssätt:

– I vår nya studie har vi teoretiskt visat hur det är möjligt att uppfylla ett av dessa krav, nämligen hur man kan skapa magnetiska skyrmioner på ultrakorta tidsskalor med hjälp av pulser av laserljus, säger Claudio Verdozzi, fysikforskare vid Lunds universitet.

Forskarlaget från Lund och Hamburg har identifierat en mikroskopisk mekanism för att förklara ett experimentellt protokoll som visat sig vara användbart för att skapa de märkliga skyrmionerna. Med hjälp av så kallade femtosekundlaserpulser – ljuspulser som varar en miljondel av en miljarddel av en sekund – visade forskarna att det går att skapa skyrmioner ultrasnabbt.

– Våra resultat är av stort intresse för att kunna skapa mer energieffektiva tekniska komponenter. Vår studie visar att ljus kan användas för att manipulera lokaliserade magnetiska excitationer på mycket korta tidsskalor. Det här är något vi hoppas kunna studera vidare i samarbete med forskare vid forskningsanläggningarna ESS och MAX IV i Lund, säger Claudio Verdozzi.

Hur kan då den nya studien spela roll för en bredare allmänhet? Fysikforskarna menar att det dels finns en folkbildande potential. Många är bekanta med ferromagnetiska material, men få är medvetna om att andra, mer ”exotiska” typer av magnetiska strukturer så som skyrmioner existerar. Men det finns också en rad tillämpningar som den nya upptäckten kan ge upphov till, bland annat inom kvantteknologin – ett område där kvantmekaniska egenskaper används för att lösa extremt avancerade mät- och beräkningsproblem som traditionella datorer inte klarar av. Magnetiska excitationer såsom skyrmioner och så kallade spinnvågor tros också kunna bidra till att minska energiförbrukningen i teknologiska komponenter, och kan på det sättet hjälpa till att uppnå kommande klimatmål.

– Skyrmionerna är i fokus för både teoretisk och experimentell forskning tack vare sin teknologiska potential. Och deras exotiska magnetiska mönster besitter en konceptuell och matematiskt vacker attraktionskraft som gör dem mycket intressanta, säger Claudio Verdozzi.

Studien är publicerad i den vetenskapliga tidskriften npj Computational Materials: ”Microscopic Theory of Light-Induced Ultrafast Skyrmion Excitation in Transition Metal Films”

För mer information, kontakta:

Claudio Verdozzi, universitetslektor

Fysiska institutionen, Lunds universitet

046 222 94 99

0735 55 70 83

claudio.verdozzi@teorfys.lu.se

Presskontakt:

johan.joelsson@science.lu.se

073 027 58 90