Міжнародна група дослідників використовувала нейтронну візуалізацію і комп’ютерні алгоритми, щоб вперше виявити тривимірні форми і динаміку скірміонів. Ці вихрові атомні магнітні структури в об’ємних матеріалах розглядають в якості основних елементів електроніки нового типу — спинтроніки.
Комбіноване зображення показує форму і довжину скірміонних трубок, які змінюються в залежності від дефектів, що виникають в решітці навколишнього матеріалу. Зображення: Henderson et al, Nature Physics (2023)
Скірміони виникають природним чином в деяких атомних решітках під впливом магнітних і електричних властивостей оточуючих атомів. Скірміони зазвичай мають розмір від 20 до 200 нм. У двох вимірах скірміони приймають форму дисків, в яких магнітні поля атомів спрямовані в різні боки в залежності від їх положення.
Але в об’ємних матеріалах скірміони складаються вертикально, утворюючи тривимірні трубки, верхівки яких можуть доходити до верхньої і нижньої поверхонь матеріалу. Для дослідження вчені виготовили об’ємні зразки — куби зі стороною близько 3 мм, що містять тривимірні стопки або трубки скірміонів в решітці з кобальту, цинку і марганцю.
Пошарове сканування зразка. Зображення: Henderson et al, Nature Physics (2023)
Аналіз проводили за допомогою нейтронної томографії — процесу, при якому пучок нейтронів направляється на зразок. Коли нейтрони стикаються з різними утвореннями всередині решітки — в даному випадку зі скірміоними трубками — вони розсіюються в різних напрямках в залежності від форми трубок в цій точці.
Кожен зразок містився в магнітному полі і поступово повертався на дуже малі кути, створюючи серію «зрізів», які об’єднувалися за допомогою алгоритму реконструкції форми для створення єдиного тривимірного зображення. Результат показав, як форма і поширення скірміонних трубок пов’язані з різними видами дефектів навколишнього решітки.
Тривимірні скірміони можна використовувати для обробки і зберігання інформації в щільно упакованій формі, яка використовує на кілька порядків менше енергії, ніж сучасні пристрої. Аналіз властивостей трубок, що утворюються всередині матеріалів, дозволить розробити технології запису і обробки даних, впевнені дослідники.