Skyrmiony jsou víry překlápějících se spinů, vlny nebo pseudočástice, o nichž se uvažuje jako o možném základu elektroniky nové generace. Pro manipulaci se skyrmionem totiž potřebujeme velmi malou energii (např. v podobě změn vnějšího elektrického pole), příslušné spintronické součástky by se tudíž vyznačovaly nízkou spotřebou a jejich miniaturizaci by tolik neomezovaly požadavky na chlazení.
Stále jde ovšem spíše o teoretické koncepty a dosud není jasné, jakým přesně způsobem by skyrmiony měly informace uchovávat. Pravděpodobně nejjednodušší možnost představuje uspořádání, kdy informaci kóduje samotná (ne)přítomnost magnetického víru na daném místě. Problém je však v tom, aby se při manipulaci s daty podařilo udržovat stále stejnou vzdálenost, jinak hrozí, že v binárním zápisu 0 (přiřazení: žádný skyrmion) zmizí nebo se naopak objeví navíc. Druhou možností je kódovat data pomocí směru víru, to je ale technicky obtížnější.
S novým nápadem přišli švýcarští vědci ze Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology. Hans Josef Hug a jeho kolegové navrhují, aby hodnotu bitu určovala velikost skyrmionu. Mírné změny ve vzdálenosti jednotlivých magnetických vírů by pak hodnotou uložené informace nijak nezamíchala. Problém až dosud spočíval v tom, že existence dvou různých typů skyrmionů, dostatečně odlišitelných a na sebe přitom převoditelných v jednom materiálu, byla až dosud známa pouze ve speciálních monokrystalech a při velmi nízkých teplotách. Nová studie publikovaná v časopisu Nature umožňuje dosáhnout tohoto efektu pomocí více vrstev z drahých kovů a kovů vzácných zemin. Vrstvy mají tloušťku v desetinách nanometrů (tj. jednotky atomů), experimentovalo se zde s iridiem, kobaltem, platinou, železem, terbiem a gadoliniem.
Většina takto testovaných vrstev má povahu feromagnetu, mezi ně ale mohou být vloženy ferrimagnetické (speciální magnetické uspořádání) vrstvy z kovů vzácných zemin Tb a Gd. Samotné skyrmiony vznikají ve feromegnetických vrstvách. Ferimagnetické vrstvy ale přitom dokáží indukovat skyrmiony dvou různých typů, což je právě cílem. Oba typy skyrmionů lze snadno odlišit např. pomocí mikroskopu magnetické síly, liší se jak velikostí, tak i intenzitou. Větší skyrmiony mohou např. proniknout i centrální ferimagnetickou vrstvou, dojde k jejich propojení do jednoho „sloupce“, menší zůstávají pouze ve feromagnetickém materiálu.
Dosažené experimentální výsledky mají být ve shodě se simulacemi, které provedli vědci na univerzitách ve Vídni a Messině. Celkově koncept vychází z návrhu reprezentace dat pomocí magnetických domén, který již v roce 2004 představila IBM. V této paměti mělo být s daty možné manipulovat až 100 000krát rychleji než v současných pamětech typu flash. Výroba vícevrstvého uspořádání nevyžadovala žádné speciální technologie a měla by být proveditelná i v průmyslovém měřítku.
Andrada-Oana Mandru et al. Coexistence of distinct skyrmion phases observed in hybrid ferromagnetic/ferrimagnetic multilayers, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-20025-2
Zdroj: Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology / Phys.org a další