Az anyag egy új mágneses fázisát fedezték fel a BME-n működő Lendület kutatócsoport fizikusai

A jövő információtárolásának új eszközei skyrmionokból állhatnak. A BME kutatóinak kapcsolódó cikkeit a rangos Science Advances és Physical Review Letters folyóiratok publikálták.

A mágneses skyrmionokat a fizikusok az utóbbi néhány év legizgalmasabb felfedezései közé sorolják. Tony Skyrme, az 1987-ben elhunyt brit elméleti fizikus évtizedekkel ezelőtt az elemi részecskék létezését és stabilitását vizsgálva dolgozta ki a róla elnevezett hipotetikus részecskékről, a skyrmionokról szóló elméletét. Ezeket a részecskéket a közelmúltban a fizika egy másik területén, a mágneses anyagok kutatása során figyelték meg. A mágneses skyrmionok nagyszámú, elemi mágneses momentumokból álló csőszerű objektumok, melyek átmérője jellemzően 10-100 nanométer. Kis méretük, stabilitásuk illetve elektromos és mágneses terekkel történő manipulálhatóságuk miatt egyes kutatók a jövő információtárolásához használt új generációs eszközök építőköveként tekintenek rájuk.

„A mágnesség alapja, hogy a kristályok szomszédos atomjaihoz tartozó elektronok még a szigetelő anyagoknál is kölcsönhatásban vannak egymással, kvantummechanikai effektusoknak köszönhetően érzik egymást” – magyarázta Kézsmárki István, a BME Természettudományi Kar Fizika Tanszék docense, az MTA-BME Lendület Magneto-optikai Spektroszkópia Kutatócsoport vezetője. „Ezek az elektronok sok esetben rendezett mintázatokat hoznak létre. Az elektronok töltésük mellett rendelkeznek spinnel is, amit – némileg leegyszerűsítve – apró mágneses iránytűként képzelhetünk el. Az elektronok egymás spinjét érzik és azt az állapotot igyekeznek kialakítani, ami ’mindenkinek jó’. A hosszútávú mágneses rend legegyszerűbb példája a ferromágnesesség, amikor az összes elektron spinje azonos irányba mutat: ezért tudjuk érzékelni például a patkómágnes mágneses terét nagy távolságból is. A skyrmionok ferromágnesekben kialakuló kis szigetek, ahol az elektronok spinje szembefordul a ferromágnes többi részén található spinekkel.”

A kristályokban található elektronok spinjei között többféle mágneses kölcsönhatás jöhet létre, ezek versengése alakítja ki a skyrmionokat. „Egyes anyagokban a kölcsönhatás olyan, hogy a spinek egymással párhuzamosan szeretnének állni, ezek az egyszerű ferromágnesek. Léteznek kristályok, ahol emellett megjelenik egy másik kölcsönhatás, amely egymásra merőlegesen szeretné rendezni a spineket. A két kölcsönhatás között kialakuló kompromisszumos megoldás eredménye a korábban már elméleti úton megjósolt skyrmion-rendeződés” – ecsetelte Bordács Sándor, a BME TTK Fizikai Tanszék adjunktusa, a magneto-optikai kutatócsoport tagja. A két kutató és kollégái a közelmúltban a neves Nature Materials folyóiratban publikálták ez irányú kutatásaikat. Elsőként figyelték meg a mágneses sündisznóra emlékeztető Néel-típusú skyrmionokat, a gallium-vanádium-szulfid mágneses félvezető kristályban. Korábban csak a skyrmionok egy másik családját, az örvényes szerkezettel rendelkező Bloch-típusú skyrmionokat figyelték meg, míg a Néel-típusú skyrmionok léte sokáig pusztán elméleti spekulációnak tűnt. Vizsgálódásaikat folytatták, ennek eredménye két újabb tanulmány, melyek a Science Advances és a Physical Review Letters legújabb számában jelentek meg.

Skyrmionokat először a félvezetőiparban használatos mangán-szilíciumban figyeltek meg, amelyekből ma már nagyméretű, mágneses filmeket is tudnak készíteni. Gallium-vanádium-szulfidból (GaV4S8) a szükséges mennyiségű kristályt Kézsmárki István Augsburgi Egyetemen töltött vendégprofesszori tartózkodása alkalmával szintetizálták.

Az örvényre emlékeztető Bloch-típusú, és a sündisznó formájú Néel –típusú skyrmion

„A skyrmionok kutatása pusztán elméleti szempontból is izgalmas, mert ez a skyrmionok periodikus rendeződése akár kristályképződésként is értelmezhető” – tette hozzá a kutatócsoport vezetője. „Ha úgy tetszik, ez egy új mágneses fázisa az anyagnak: a mágneses momentumok rendeződése oly mértékben változtatja meg a rács periodicitását, mintha a kristályban egy másik kristály alakulna ki.”

Nem minden mágneses kristályban figyelhetők meg skyrmionok. Kialakulásukhoz nagyon speciális kristályszimmetriai feltételek szükségesek. A szomszédos atomokat összefűző kötéseken a térbeli középpontos tükrözési szimmetriának sérülnie kell, ami leszűkíti a vizsgálható anyagok körét. A kutatók által vizsgált gallium-vanádium-szulfid éppen megfelel e kritériumoknak, ám megtalálásához szerencse is kellett. „2009-ben egy diákom, a ma már doktorandusz Szaller Dávid a gallium-vanádium-szulfid optikai tulajdonságait vizsgálta TDK dolgozatában” – idézte fel Kézsmárki István. „Akkor még fogalmunk sem volt arról, hogy ebben a kristályban skyrmionok vannak. Ebben az évben jelent meg az első cikk, melyben mágneses skyrmionok megfigyeléséről számoltak be. A TDK munka közben felfigyeltünk egy konferencia kiadványra, amelyből kiderült, hogy ennek az anyagnak a mágnesezettségével ’furcsa’ dolgok történnek nagyon kicsi mágneses térben. Amikor ez a kiadvány megjelent, még nem észleltek skyrmionokat és senki nem értette e különös mágneses viselkedés eredetét. Az utóbbi évek intenzív kutatásainak köszönhetően kiderült, hogy mágneses kristályokban ezért a skyrmionok keletkezése felelős. Azóta megtanultuk azt is, hogy a kristályok szimmetriái és a spinek közötti lehetséges kölcsönhatások sokat elárulnak arról, hogy lehet-e skyrmion egy adott anyagban. Ha egy kutató ezen ismeretekkel felvértezve böngészik az interneten, rövid idő alatt össze tud írni magának egy listát olyan anyagokról, melyek jó eséllyel tartalmaznak skyrmionokat. A korábban említett – és már mindenki által elfeledett – konferencia kiadványt újraolvasva azonnal rájöttünk, hogy a gallium-vanádium-szulfid mágnesezettségében tapasztalt anomáliákat is skyrmionok okozzák. Méréseink ezt hamarosan igazolták.”

Gallium-vanádium-szulfid kristályok szerkezetének sematikus ábrája és a maguk a kristályok milliméterpapíron

A kutatók legfrissebb munkája rávilágított, hogy az elektronoknak nem csak a mágnesessége, hanem az elektromos töltése is fontos lehet a skyrmionok kialakulásában. Az általuk elsőként megfigyelt Néel-típusú skyrmionokban az elektromos polarizáció – más szóval elektromos dipólusok – a spinekhez hasonlóan szigetszerű mintázatot képeznek. A Science Advances-ben megjelent tanulmány a gallium-vanádium-szulfid mágneses tér függvényében mért elektromos polarizációját és a töltések eloszlását írja le. „Az elektromos polarizáció különböző fázisokban történő feltérképezése az újdonság a kutatásainkban, mivel ez közvetett bizonyítékot szolgáltat arra, hogy ezen objektumok nemcsak mágneses skyrmionok, hanem elektromos töltés mintázattal is rendelkeznek” – fogalmazott Kézsmárki István.

E kutatások a mágneses információtároló-rendszerek új generációja létrehozásának ígéretét hordozzák.  A korszerű mágneses információtárolás feltétele a stabilitás, a kis méret és az információt hordozó elemi egységek – bitek – könnyű mozgathatósága, manipulálhatósága, amit a skyrmionok mind-mind biztosíthatnak. „A skyrmion azért stabil objektum, mert nagyon különlegesen rendeződnek benne a spinek. A spinek által létrehozott csavarszerű struktúrát nem lehet kibogozni” – hangsúlyozta Kézsmárki István. „Stabilitását talán az ún. Möbius-szalaghoz lehetne hasonlítani: ha egy papírszalag két végét úgy illesztem és ragasztom össze, hogy az egyik végét 180 fokkal elfordítom, akkor lényegében egy egyoldalú papírcsíkot kapok: hiába csavargatom, nem lesz belőle ugyanaz, mint előtte” – illusztrálta Bordács Sándor. „Hasonlóan viselkednek ezek a mágneses szerkezetek is: hiába fordítok át egy-egy spint, a skymion-mintázatot nem tudom megtörni. Már léteznek elgondolások arra is, hogy mire lehetne ezt használni. A Science Advancesben megjelent tanulmányból kiderül, hogy a Néel-típusú skyrmionok mágneses és elektromos mintázata erősen összekapcsolódik. Az egyik mérnöki elképzelés szerint elektromos tér segítségével lehetne manipulálni a mágneses mintázatot, így a skyrmionok elmozdulása a kristályrácson nem emésztene fel sok energiát. Egy ilyen adattároló eszköz működtetése sokkal kisebb energiaveszteséggel járna, mint a ma használatos ferromágneses adattárolóké. Mindez elviekben lehetséges, a megvalósítás azonban a jövő feladata még: egyelőre főként a szükséges alapkutatások zajlanak.”

HA - TJ

Fotó: Takács Ildikó