Nieuwe theorie verklaart gedrag van magnetische skyrmions

Afbeelding: illustratie van het centrale idee achter de nieuwe theorie. Links: een magnetisch materiaal waarin alle atomaire magneetjes dezelfde kant op wijzen (witte pijltjes). Een laserpuls (rood) verhit het materiaal razendsnel. Als de vrijgekomen energie groot genoeg is om over de energiebarrière te komen (weergegeven als een bal die over een heuvel springt), ontstaat er een skyrmion. Credit: Lukas Körber.

Rein Liefferink en collega’s publiceerden hun theorie in het wetenschappelijke tijdschrift Physical Review Letters.

Skyrmions zijn heel kleine gebiedjes in een magnetisch materiaal met een wervelende structuur. De magnetisatie wijst aan de buitenkant omhoog en aan de binnenkant omlaag. Je kunt ze zien als kleine opgerolde domeinstructuren. Skyrmions zijn stabiel, klein en goed te controleren, wat ze interessant maakt als bouwsteen voor de geheugens en computers van de toekomst.

Als je met een laser op een magnetisch materiaal schiet, warmt dat materiaal heel snel op. Op een tijdschaal van picoseconden, een biljoenste deel van een seconde, kunnen dan plotseling skyrmions ontstaan of verdwijnen. Dit verschijnsel is al experimenteel aangetoond in verschillende materialen, maar een goed theoretisch begrip ontbrak nog.

Tot nu toe gebruikten wetenschappers atomistische simulaties om dit te bestuderen: ze simuleerden het gedrag van elk afzonderlijk atoom in het materiaal. Dit werkt, maar het is enorm rekenintensief én het geeft geen duidelijk intuïtief beeld van wat er fysisch eigenlijk gebeurt.

De nieuwe theorie
Rein Liefferink, promovendus aan de Radboud Universiteit, ontwikkelde een nieuwe, eenvoudigere theorie. In plaats van elk atoom apart te berekenen, beschrijft de theorie direct de magnetische skyrmions zelf.  Een skyrmion is nog steeds heel klein — enkele tot tientallen nanometers groot, ongeveer duizend keer dunner dan een haar — maar dat is veel groter dan één atoom. Door op dit niveau te beschrijven wat er gebeurt, worden de berekeningen een stuk eenvoudiger.

Het centrale idee is dat een skyrmion alleen kan ontstaan of verdwijnen als het systeem genoeg energie heeft om over een energiebarrière heen te komen. Stel je een bal voor die in een kuiltje ligt. De bal blijft daar rustig liggen, tenzij je hem genoeg energie geeft om over de rand te klimmen. Pas dan gaat hij naar een andere toestand over. Voor een skyrmion werkt het net zo: de warmte van de laserpuls geeft het systeem energie, en er is een bepaalde kans dat die energie groot genoeg is om de barrière te nemen: een skyrmion ontstaat of verdwijnt.

Omdat alles zo razendsnel gaat, kunnen al die gebeurtenissen als onafhankelijk van elkaar worden beschouwd. Liefferink: ‘Daardoor hoef je alleen maar heel lokaal te kijken wat er bij elke skyrmion afzonderlijk gebeurt, en dat vervolgens op te tellen voor het hele systeem. Zo ontstaat één overzichtelijke formule die het gedrag van alle skyrmions samen beschrijft. Die formule klopt goed met zowel de bestaande atomistische simulaties als met echte experimenten, terwijl de berekeningen veel minder zwaar zijn.’

Voorspellen en optimaliseren
Met de nieuwe theorie kunnen onderzoekers voorspellingen doen die eerder niet mogelijk waren. Zo blijkt uit de theorie dat het aantal skyrmions dat ontstaat tijdens een laserpuls sterk afhangt van hoe snel het materiaal daarna weer afkoelt. Dat geeft onderzoekers een manier om te controleren hoeveel skyrmions er ontstaan, bijvoorbeeld door de warmtegeleiding van het materiaal aan te passen.

Johan Mentink, mede-auteur van het artikel: ‘Een belangrijk voordeel van de nieuwe theorie is dat ze gebruikmaakt van materiaalparameters die al goed bekend zijn uit experimenten op veel grotere lengte- en tijdschalen. Eerder beschikbare modellen waren moeilijk te koppelen aan echte materiaaleigenschappen: kwalitatief klopten ze wel, maar kwantitatief niet. Met deze theorie is een belangrijke stap gezet naar een kwantitatieve beschrijving van magnetische materialen. Dat betekent dat onderzoekers nu beter kunnen voorspellen welk materiaal het meest geschikt is voor een bepaalde toepassing.’

Bredere impact
De theorie is niet alleen nuttig voor skyrmions. Liefferink: ‘Er zijn veel meer materialen waarbij onderzoekers met lasers kijken wat er op zulke korte tijdschalen en kleine afstanden gebeurt. Binnen magnetisme zijn er al heel veel verschillende domeinstructuren. Bovendien vormen veel andere materialen eveneens nanometer-domeinstructuren onder invloed van laserexcitatie. Voor al die situaties hadden we op zijn best computersimulaties. Deze nieuwe theorie vormt inspiratie voor verder onderzoek en kan nieuw begrip brengen van het ultrasnelle gedrag van materialen met nanostructuren in het algemeen. ‘