En gammel idé - oprindeligt udviklet med henblik på forståelse af partikelfysikken - har nu vist sig interessant inden for spintronik. Det er navnet for elektronik, der baserer sig på elektronens spin-egenskaber.
Kirsten von Bergmann og en forskergruppe ved Universität Hamburg har som de første vist, at de kan skrive og fjerne strukturer kaldet skyrmioner på en ultratynd magnetisk film. Forskerne har beskrevet deres resultater i en artikel i Science.
Da skyrmioner er meget små, vil et skyrmion-lager kunne indeholde omkring 20 gange så store datamængder som en nuværende harddisk, oplyser Kirsten von Bergmann til Nature.
Hun understreger dog, at der er meget lang vej fra dette tidlige forskningsresultat til en praktisk enhed.
Skyrmioner er opkaldt efter den afdøde britiske fysiker Tony Hilton Royle Skyrme, som i 1962 præsenterede en teori for partikler som neutroner og protoner baseret på topologiske egenskaber.
Skyrmes arbejde inden for partikelfysikken blev dog udkonkurreret af kvark-modellen, som blev bragt på bane i 1964, og så gik den i glemmebogen i mange år.
I 1990’erne blev Skyrmes model dog af interesse for elektroniske systemer baseret på kvante-Hall-effekten, som blev opdaget af Klaus von Klitzing i 1980. Inden for de seneste år har skyrmioner været studeret af flere forskergrupper i forbindelse med magnetiske materialer. Eksempelvis beskrev forskere fra Technische Universität München i 2009 i Science, at de havde observeret dannelsen af skyrmioner i mangansilicid (MnSi).
Stabile hvirvler af spin
En skyrmion er en stabil tilstand af atomers spin-hvirvler. Når et ekstern magnetfelt påtrykkes et magnetisk materiale, vil det normalt få de enkelte atomer til at stille op, så deres magnetfelt (som skyldes elektroners spin) peger i samme retning – som en række stangmagneter.
Det er dog også muligt, at en gruppe atomer – måske omkring 300 styk med en udstrækning på nogle få nanometer – danner en magnetisk hvirvel (se illustrationen). Denne tilstand er topologisk stabil.
Det er en egenskab, skyrmionen deler med andre geometriske objekter, f.eks. et Möbiusbånd, som kan dannes ved at lime to ender af et bånd sammen, efter båndet er drejet en halv omgang. Denne halvdrejning er stabil, forstået på den måde, at den kan skubbes rundt langs båndet, men den kan ikke fjernes igen.
Topologiske stabile strukturer er interessante i forbindelse med lagring af information. Den sædvanlige måde at skelne mellem ’0’ og ’1’ på ved at have atomer, hvis magnetiske nordpol peger op eller ned, er ikke stabil, hvis man pakker informationen for tæt. Det er derimod skyrmionerne.
Lang vej til skyrmioner i computeren
Problemet har været, at man ikke hidtil har kunnet skrive og fjerne skyrmioner på kontrollabel vis. Det er nu lykkedes for Kirsten von Bergmann og co. i forbindelse med en magnetisk film bestående af palladium og jern lagt på en krystal af iridium. Med et scanning tunnelling microscope har de kunne danne skyrmioner og efterfølgende fjerne dem igen.
Hvordan denne proces præcist foregår, har forskerne dog endnu ikke klarlagt. Det vil kræve yderligere eksperimenter og en mere indgående teoretisk indsigt, bemærker de.
'Denne viden er nødvendig for at kunne optimere switching-processen,' skriver forskerne i konklusionen i den videnskabelige artikel.
Det er dog andre grunde til, at der vil gå lang tid, før vi alle har skyrmion-lagre i vores computere. For det første virker teknikken ikke hver gang endnu. Succesraten for at skrive og fjerne information var omkring 60 pct. For det andet er det hele foregået ved en temperatur på 4,2 kelvin.
Faststoffysikeren Stefan Blügel fra Forschungszentrum Jülich siger dog til Nature, at der er tale om gennembrud for skyrmioner:
»Vi kan nu skabe skyrmioner, hvor og hvornår vi ønsker det, og dermed skrive et nul eller ettal på en reguleret måde.«
