Uusi kolmiulotteinen magneettinen rakenne löydetty

Ruotsalais-saksalais-luxemburgilais-kiinalainen tutkijaryhmä on havainnut magneettisia hopfioneja. Hopfioni on kolmiulotteinen magneettinen rakenne, jossa elektronispinit ilmentävät kaikkia mahdollisia suuntia rajallisessa materiaalin tilavuudessa.

Magneettisten hopfionien vastineita on aiemmin havaittu ei-magneettisissa järjestelmissä. Magneettisissa materiaaleissa niiden itsenäinen olemassaolo on kuitenkin toistaiseksi ennustettu vain teoriassa, ja suora kokeellinen havainnointi on edelleen suuri haaste.

”Hopfionit ovat kiehtovia rakenteensa vuoksi. Ne ovat kolmiulotteisia kappaleita, jotka koostuvat spineistä, jotka muodostavat suljettuja ja toisiinsa yhteydessä olevia silmukoita. Kun ne ilmestyvät, ne säilyttävät muotonsa eivätkä ympäristö juurikaan vaikuta niihin”, sanoo Uppsalan yliopiston Philipp Rybakov.

Kokeet tehtiin kiraalisilla magneettisilla kiteillä. Niiden sisäinen epäsymmetria vaikuttaa voimakkaasti siihen, miten magneettiset spinit järjestäytyvät materiaalin sisällä.

Tutkijat tutkivat noin 110–200 nanometrin paksuisia ohuita rautagermaniumkalvoja (FeGe). Läpimurron mahdollisti femtosekuntilaserpulssien käyttö. Laserpulssit voivat hetkellisesti häiritä spin-järjestelmää ja työntää sen pois tasapainosta, jolloin uudet magneettiset tilat voivat muodostua.

Tutkimus on myös teorian ja kokeen tiiviin yhteistyön tulos, jossa kokeellista työtä ja teoreettista mallinnusta on kehitetty rinnakkain.

”Teoria auttoi meitä löytämään oikean suunnan, kokeet tekivät rakenteista näkyviä ja simulaatiot ja topologia auttoivat meitä tulkitsemaan näkemäämme”, Philipp Rybakov sanoo.

Tulokset eivät rajoitu yhden materiaalin hopfioneihin. Synergetic Extreme Condition User Facility (SECUF) -laboratoriossa tehdyssä rinnakkaistyössä samaa valoon perustuvaa lähestymistapaa käytettiin magnetismin hallintaan toisessa kiraalisessa materiaalissa.

Kyseisessä tutkimuksessa tutkijat osoittivat bimeroneja, kaksiulotteisia magneettisia rakenteita, joita voidaan pitää kolmiulotteisten hopfionien vastineina. Yhdessä nämä tutkimukset osoittavat, että laservalo voi toimia yleisenä työkaluna uusien magneettisten tilojen saavuttamiseksi eri materiaaleissa ja sekä kahdessa että kolmessa ulottuvuudessa.

Löytö avaa uusia mahdollisuuksia tulevaisuuden tutkimukselle. Koska hopfionit ovat stabiileja, kolmiulotteisia magneettisia rakenteita, ne ovat kiinnostavia spintroniikalle, jossa elektronispiniä käytetään sähkövarauksen sijaan informaation tallentamiseen ja käsittelyyn.

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat löysivät aika-avaruuden hopfionkiteitä

Sähköisesti ohjattavat 3D-magneettiset hopfionit