Ny tredimensionell magnetisk struktur upptäckt med laserljus

Magnetism uppfattas ofta som något enkelt, som pekar åt ett håll eller ett annat. På mycket små skalor kan magnetism dock uppvisa betydligt mer komplexa beteenden. Magnetism har sitt ursprung i elektronernas spinn, som är en en kvantegenskap som kan liknas vid små inbyggda kompasser. När många spinn samverkar i ett fast material kan de organisera sig i stabila, men väldigt avancerade mönster.

Första observationerna

I den nya studien har forskare från Uppsala universitet tillsammans med forskare från Tyskland, Luxemburg och Kina observerat så kallade magnetiska hopfioner. En hopfion är en tredimensionell magnetisk spinnstruktur, där elektronernas spinn kan peka åt olika håll och bildar stängda, sammanlänkade slingor inom en avgränsad volym av materialet. Strukturer av detta slag har tidigare kunnat observeras i icke-magnetiska system. Hittills har experimentella observationer av magnetiska hopfioner varit en stor utmaning och man har bara kunnat förutspå dem teoretiskt.

– Hopfioner är fascinerande på grund av sin struktur. De är tredimensionella strukturer uppbyggda av spinn som bildar stängda och sammanlänkade slingor. När de väl har bildats, behåller de sin form och påverkas i väldigt liten utsträckning av sin omgivning, säger Philipp Rybakov, forskare vid Institutionen för fysik och astronomi vid Uppsala universitet och en av forskarna bakom studien.

Experimenten genomfördes på så kallade kirala magnetiska kristaller. I kirala magnetiska kristaller kan strukturen förekomma i två spegelvända varianter, vilket innebär att de har samma uppbyggnad men inte kan överlappas genom rotation. Denna skillnad påverkar hur magnetiska spinn ordnar sig i materialet.

Skapades med ultrakorta laserpulser

Forskarna studerade tunna filmer av en järn-germaniumförening (FeGe) med en tjocklek på cirka 110–200 nanometer. Även om magnetiska hopfioner har förutspåtts teoretiskt i flera år har de varit mycket svåra att observera experimentellt. Under normala förhållanden uppstår dessa tillstånd inte spontant, utan kräver tillförsel av extra energi.

Det som var avgörande för att hopfionerna nu kunde observeras var att forskarna i denna studie använde sig av ultrakorta laserpulser på femtosekundskala. En femtosekund är ett extremt kort tidsintervall, i storleksordningen en miljondel av en miljarddels sekund. Med hjälp av dessa extremt korta pulser kunde spinnsystemet tillfälligt rubbas ur jämvikt, vilket gjorde det möjligt för nya magnetiska tillstånd att bildas.

I experimenten belystes en relativt stor yta av FeGe‑kristallerna med laserljus varje sekund. Därefter analyserades materialets magnetiska tillstånd med avancerade elektronmikroskopiska metoder. Experimentet kunde sedan upprepas under identiska förhållanden flera gånger, vilket gjorde det möjligt att noggrant testa och verifiera resultaten.

Experiment, teoretiska beräkningar och simuleringar

Parallellt med att experimenten genomfördes, återskapade forskargruppen samma strukturer i avancerade datorsimuleringar, med hjälp av simuleringsprogrammet Excalibur, som tidigare utvecklats av Philipp Rybakov. Programmet modellerade hur miljontals interagerande spinn utvecklades och organiserade sig i komplexa tredimensionella mönster. Simuleringarna fungerade som digitala tvillingar till experimenten, och vid jämförelser med de teoretiska modellerna för magnetiska hopfioner såg man att de stämde väl överens.

En viktig del av arbetet var den topologiska analysen av de magnetiska tillstånden. Topologi är ett område inom matematiken som används för att beskriva former och strukturer som behåller sina grundläggande egenskaper även när de deformeras, till exempel knutar eller sammanlänkade slingor. Philipp Rybakov ledde det teoretiska och topologiska arbetet, som gjorde det möjligt att identifiera hopfioner som tydliga och stabila tredimensionella magnetiska strukturer.

Studien är ett resultat av ett nära samspel mellan teori och experiment, där modellering och mätningar utvecklades parallellt.

– Teorin gav oss ledtrådar till vilka tillstånd vi skulle leta efter, experimenten gjorde dem synliga och simuleringarna hjälpte oss att tolka det vi såg, säger Philipp Rybakov.

Parallellt experiment

Resultaten begränsar sig inte till hopfioner i ett enskilt material. I parallella studier vid Synergetic Extreme Condition User Facility (SECUF) användes samma ljusbaserade metod för att styra magnetismen, men i ett annat kiralt material. Där kunde forskarna skapa så kallade bimeroner, som är tvådimensionella magnetiska strukturer som kan ses som motsvarigheter till de tredimensionella hopfionerna. Tillsammans visar studierna att laserljus kan användas som ett generellt verktyg för att nå nya magnetiska tillstånd i olika material och såväl två som tre dimensioner.

Nya möjligheter inom spinntronik

Upptäckten öppnar nya möjligheter för framtida forskning. Eftersom hopfioner är stabila tredimensionella magnetiska strukturer är de av intresse för spinntronik, där elektronernas spinn används i stället för elektrisk laddning för att lagra och bearbeta information.

– Med femtosekundlaserljus kan vi nu styra magnetism mot dessa komplexa tillstånd. Det ger oss helt nya möjligheter att utforska magnetiska fenomen, säger Philipp Rybakov.

Camilla Thulin