Spiralende skyrmionen wijzen de weg naar nieuwe elektronica

Fundamenteel onderzoek naar de beweging van zogeheten skyrmionen is een stimulans voor de ontwikkeling van kleinere en energiezuiniger elektronica en geheugen. Skyrmionen zijn kleine en uiterst stabiele magnetische objecten die voorkomen in bepaalde dunne kristallen. Maxim Mostovoy, theoretisch natuurkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen, maakt deel uit van een team dat het raadsel van de spiralende skyrmionen oploste. Hun resultaten zijn zondag 26 januari gepubliceerd in Nature Materials.

Een skyrmion is een complexe magnetische, wervelachtige structuur. Die is het best te omschrijven als een rond object waarbij de richting van het magnetisch moment aan de buitenste rand tegenovergesteld is aan die van het centrum. Tussen de rand en het centrum bevinden zich concentrische ringen waarin de magnetisatie overgaat van de ene naar de andere richting.

‘Skyrmionen zijn zeer stabiele structuren met een grootte van een paar nanometers tot een micrometer in diameter’, legt Mostovoy uit. ‘Wetenschappers zoeken al een tijd naar een manier om ze te gebruiken voor dataopslag en het maken van elektronische schakelingen.’

Eén kant op

Enkele jaren geleden onderzocht een Japans team skyrmionen met behulp van een elektronenbundel. Wanneer ze de skyrmionen daarmee beschenen, begonnen ze in een spiraalvormige baan door het materiaal te bewegen. Zij draaiden daarbij steevast één kant op, met de klok mee. Mostovoy ging als theoreticus meedenken over een verklaring van die beweging.

De elektronen konden de beweging niet veroorzaken, want het fenomeen trad ook op in niet-geleidende materialen. Het leek daarom een thermisch effect: de elektronenstraal verwarmt het materiaal en er ontstaat een temperatuursverschil tussen de bestraalde plek en de omgeving. ‘En met een sterkere elektronenstraal gingen de skyrmionen sneller draaien.’

Stadion’wave’

Verschillende theoretische verklaringen werden bedacht en getest in computersimulaties. Alles bij elkaar duurde het enkele jaren voordat Mostovoy en zijn collega’s het raadsel wisten op te lossen. Zij concludeerden dat de skyrmionen aangedreven worden door warmte die zich van binnen naar buiten beweegt in de vorm van een ‘spingolf’.

Deze spingolf (ook wel magnonstroom genoemd) is vergelijkbaar met de ‘wave’ die door stadions gaat. Spin is een kwantummechanische eigenschap van deeltjes die hun hoekmoment bepaalt en twee standen kent: op of neer. De spin kan omklappen tussen deze standen. Wanneer een deeltje omklapt, zal het deeltje ernaast dit voorbeeld volgen, net zoals een toeschouwer die opstaat tijdens een ‘wave’ wanneer zijn buurman dat doet. De spin valt vervolgens terug in de uitgangspositie, vergelijkbaar met de toeschouwer die weer gaat zitten als de ‘wave’ voorbij is.

Spintronica

‘Maar een spingolf die een skyrmion raakt, ketst af’, legt Mostovoy uit. ‘De golf ketst altijd één kant op, en het skyrmion krijgt daardoor een zetje in de tegenovergestelde richting. Wat bijzonder is aan deze botsing is dat de golf een kwantummechanisch effect is dat een object in de macroscopische wereld (het skyrmion) in beweging zet.

‘Door dit onderzoek weten we hoe we skyrmionen kunnen verplaatsen’, zegt Mostovoy. ‘Dat kon al, maar alleen met behulp van een elektrische stroom. Verplaatsing met een spingolf is veel zuiniger.’ Dat is goed nieuws voor onderzoekers die werken aan ‘spintronica’, elektronische componenten die werken op basis van de spin van deeltjes, in plaats van de spanning van elektronen.

Invloedrijke fundamentele wetenschapper

Mostovoy hoort niet bij de spintronica-onderzoekers. ‘Mijn doel is om de fundamentele eigenschappen van materie te leren begrijpen. Alles om ons heen bestaat uit materie. Maar hoe kan materie zichzelf organiseren? Er zijn eindeloze mogelijkheden en ik wil weten hoe materie in elkaar zit.’ Wel heeft Mostovoy binnen het Zernike Institute of Advanced Materials (ZIAM) van de RUG, waar hij werkt, veel collega’s die de fundamentele kennis proberen om te zetten in toepassingen.

De nieuwe publicatie is het derde artikel in vier maanden in Nature Materials waar Mostovoy aan meewerkt. In 2012 maakte het Centre for Science and Technology Studies van de Universiteit Leiden bekend dat Mostovoy hoorde bij de tien meest invloedrijke Nederlandse wetenschappers, gebaseerd op het aantal citaties.

Curriculum vitae

Maxim Mostovoy (1963) is geboren in Rusland, maar heeft nu de Nederlandse nationaliteit. Hij studeerde nucleaire fysica aan de Novosibirsk State University en promoveerde in 1998 aan de Rijksuniversiteit Groningen. Van 1985-1998 was hij onderzoeker bij het Budker Institute in Novosibirsk. Van 1998-2004 was hij aan de RUG postdoc-onderzoeker en daarna een jaar visiting scientist bij het Max Planck-Intitut für Festkörperforschung in Stuttgart, Duitsland. Daarna keerde hij terug naar Groningen, waar hij in 2010 benoemd werd tot hoogleraar. Hij is verbonden aan het Zernike Institute of Advanced Materials (ZIAM) van de RUG.

Noot voor de pers

-           Referentie: Thermally driven ratchet motion of a skyrmion microcrystal and topological magnon Hall effect M. Mochizuki1,2*, X. Z. Yu3, S. Seki2,3,4, N. Kanazawa5,W. Koshibae3, J. Zang6, M. Mostovoy7, Y. Tokura3,4,5 and N. Nagaosa3,4,5

1Department of Physics and Mathematics, Aoyama Gakuin University, Sagamihara, Kanagawa 229-8558, Japan, 2PRESTO, Japan Science and Technology Agency, Kawaguchi, Saitama 332-0012, Japan, 3RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS),Wako, Saitama 351-0198, Japan, 4Department of Applied Physics, Quantum-Phase Electronics Center, The University of Tokyo, Bunkyo-ku Tokyo 113-8656, Japan, 5Department of Applied Physics, The University of Tokyo, Bunkyo-ku, Tokyo 113-8656, Japan, 6Department of Physics and Astronomy, Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland 21218, USA, 7Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, Nijenborgh 4, 9747 AG, Groningen, The Netherlands.

-           Het artikel werd op 26 januari 2014 gepubliceerd op http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat3862.html

-           Meer informatie: prof.dr. M.V. Mostovoy, m.mostovoy@rug.nl, tel. 050-363 3419.