Optiset skyrmionit voivat ohjata magneettisia skyrmionja

Japanilaisen Wasedan yliopiston sovelletun fysiikan laitoksen professori Masahito Mochizukin ja postdoc-tutkijan Lan Bon, johtama tutkimusryhmä yritti täyttää magneettisten (MSk) ja optisten (OSk) skyrmionien tietämysaukkoa mikromagneettisten simulaatioiden avulla.

Selittäessään uraauurtavan tutkimuksensa motivaatiota, tohtori Bo selittää: ” Inspiraatio tälle tutkimukselle tuli yksinkertaisesta kysymyksestä: Mitä tapahtuu, kun kaksi erilaista topologian muotoa, toinen aineessa ja toinen valossa, kohtaavat?

Meitä kiehtoi se, että ne ovat fyysisesti hyvin erilaisia, eli toinen esiintyy magneettisessa materiaalissa ja toinen sähkömagneettisessa kentässä, mutta niitä kuvaa olennaisesti sama topologinen käsite.” Hän lisää: ”Siksi kysyimme, voisivatko valon topologia ja sisäinen rakenne suoraan ohjata topologisen magneettisen tekstuurin dynamiikkaa.”

Tutkimuksessaan tiimi osoitti näiden kahden samankaltaisen topologian muodon, uuden vuorovaikutuksen. He tutkivat, miten OSk-säde vaikuttaa yksittäisen MSk:n liikkeeseen ohuella magneettisella kerroksella. Säde luotiin käyttämällä kahta strukturoitua valoa, jotka tunnetaan Laguerre-Gaussin moodina.

Näiden vaihe- ja polarisaatio-ominaisuudet yhdessä muodostavat skyrmion-polarisaatiokuvion. Tutkijat simuloivat sitten, miten tämä syntyvä optinen kenttä voi ohjata MSk:n liikettä käyttämällä yhtälöitä, jotka kuvaavat valon vaikutusta magnetoitumiseen ja magneettisen materiaalin sisäiseen dynamiikkaan.

Analysoimalla simulaatiotuloksia tiimi tunnisti MSk:ssa kolme erillistä liiketyyppiä. Ensimmäinen tyyppi oli pyörimisliike kiinteän kiertoradan ympäri, jonka säteen määritti valon intensiteettigradientti. Toinen tyyppi vastasi paikallisia poikkeamia tältä kiertoradalta, joita tutkijat kutsuivat "hyppimiseksi". Kolmas tyyppi oli silmukkamainen liike, joka tunnetaan trokoidisena liikkeenä.

Tutkijat osoittivat, että jokainen näistä käyttäytymismalleista voitiin jäljittää tulevan valokentän eri ominaisuuksiin. Merkittävintä on, että hyppyliikkeen suuntaa kontrolloivat OSk:n vektorikentän pyörresuunta eli "helisiteetti" sekä MSk:n kiraalisuus eli kätisyys.

Yksinkertaisesti sanottuna tulokset viittaavat siihen, että optisen kentän intensiteetin, vaiheen ja polarisaatiorakenteen muutoksia voidaan käyttää MSk:n trajektorian tarkkaan muuttamiseen.”Tuloksemme luovat uuden sillan topologisen fotoniikan ja topologisen magnetismin välille, avaamalla tien MSk:iden kosketuksettomalle ja ohjelmoitavalle ohjaukselle”, professori Mochizuki selittää.

Tämä valon rakenteeseen koodatun informaation ja magneettisen liikkeen välinen vuorovaikutus voisi tarjota perustan tulevaisuuden optomagneettisille ominaisuuksille (magneettisten ominaisuuksien hallinta valon avulla) ja spintroniikkateknologioille (informaation käsittely ja tallennus elektronin varauksen ja spinin avulla). Professori Mochizuki päättelee: ”Tulevaisuuden tietotekniikat vaativat nopeampia, pienempiä ja energiatehokkaampia tapoja tallentaa ja käsitellä informaatiota, ja MSk:t ovat houkuttelevia ehdokkaita tällaisille teknologioille. Osoittamalla, kuinka MSk:n lentorataa voitaisiin ohjata optisesti, työmme paljastaa uuden periaatteen fotonisen informaationkäsittelyn yhdistämiseksi spintroniseen informaation tallennukseen ja -laskentaan.”

Aiheesta aiemmin:

Tutkijat seuraavat antiferromagneettisten skyrmionien vuorovaikutusta

Skyrmionien muodostumismekanismista magneettien sisällä

Kohti energiatehokasta tietotekniikkaa skyrmionien avulla