Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 31 – vyšlo 7. září, ročník 16 (2018) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

31/2018

Skyrmiony útočí

Petr Kulhánek

V roce 1834 pozoroval skotský vědec John Scott Russel zajímavý jev. Na úzkém kanálu Union v blízkosti Edinburku se zastavil člun tažený podél kanálu párem koní. Ve směru původního pohybu se vytvořila osamocená vlna, kterou Russel na koni sledoval přibližně dva kilometry. Dnes takové osamocené vlně říkáme solitonSoliton – osamocená vlna, která se šíří na velké vzdálenosti s minimální změnou tvaru. Solitony přenášejí energii z místa na místo a mohou skrz sebe procházet. První soliton pozoroval skotský vědec John Scott Russel na úzkém vodním kanále Union poblíž Edinburghu v roce 1834. Existenci solitonů poprvé teoreticky vysvětlili v roce 1895 holandští matematici Diederik Korteweg a Gustav de Vries. V solitonu je přirozená disperze (rozplývání) kompenzována nelineárními jevy, takže může vzniknout dlouhodobě stabilní útvar.. Russel nemohl tušit, že svým pozorováním otevírá zcela novou kapitolu nelineární fyziky, která povede k převratným technologiím budoucnosti. Dnes se nikdo nepozastaví nad tím, že balíčky světla (solitony) putují optickými vlákny na vzdálenost stovek i tisíců kilometrů. Solitony jsou vytvářeny zvukovými vlnami šířícími se v krystalech, solitony vznikají v plazmatu a v posledních letech jsou zraky konstruktérů paměťových médií upřeny k magnetickým skyrmionůmMagnetický skyrmion – kruhová konfigurace překlápějících se spinů (připomínající buď ježka, nebo spirálový vír), která je stabilní a může se přemísťovat z místa na místo beze změny tvaru (jde o soliton). V běžných materiálech (Fe, Ir) mají skyrmiony rozměr od jednoho nanometru do několika desítek nanometrů. Lze je vytvářet a ovládat raménkem rastrovacího tunelového mikroskopu. Mohou být využity k zápisu informace (1 – existuje skyrmion, 0 – neexistuje skyrmion) v nastupující generaci spintronických zařízení. Magnetický skyrmion byl předpovězen v roce 2001 a poprvé experimentálně pozorován v roce 2009. Jejich tvorba za pokojové teploty (včetně ovládání) se podařila v roce 2015. – solitonům vznikajícím za určitých podmínek v magnetických materiálech. K manipulaci s nimi jsou zapotřebí elektrické proudy o mnoho řádů nižší než při čtení a zápisu v konvenčních discích. Další kapitola spintronickéSpintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997. revoluce se otevírá přímo před našima očima.

Model trojúhelníkové sítě skyrmionů, která byla v roce 2017 připravena v japonském vědeckém středisku RIKEN. Spiny okolí míří vzhůru (čistě modrá), spin uprostřed skyrmionu míří přesně dolů (čistě červená). Působením magnetického pole se specialistům podařilo síť změnit na čtvercovou. Zdroj: RIKEN/Yoichi Nii.

Spintronika – spinová elektronika neboli magnetoelektronika. Jde o technologii využívající kvantové vlastnosti spinu elektronu, případně celého atomu. Zatímco klasická elektronika využívá ve všech technologiích pouze náboj elektronu, ve spintronice se kromě náboje elektronu využívá i orientace jeho spinu. První spintronické logické obvody byly zkonstruovány v roce 1997. Kvazičástice – z místa na místo se přesouvající rozruch neboli excitace budící dojem pohybu skutečné částice. Příkladem mohou být postupně padající kostky domina, překlápějící se elementární spiny, šířící se vibrační kvantum v krystalu nebo excitace hustotní vlny elektronů. Soliton – osamocená vlna, která se šíří na velké vzdálenosti s minimální změnou tvaru. Solitony přenášejí energii z místa na místo a mohou skrz sebe procházet. První soliton pozoroval skotský vědec John Scott Russel na úzkém vodním kanále Union poblíž Edinburghu v roce 1834. Existenci solitonů poprvé teoreticky vysvětlili v roce 1895 holandští matematici Diederik Korteweg a Gustav de Vries. V solitonu je přirozená disperze (rozplývání) kompenzována nelineárními jevy, takže může vzniknout dlouhodobě stabilní útvar. Skyrmion – topologicky stabilní konfigurace nelineárního pole, kterou poprvé v roce 1962 využil britský fyzik Tony Skyrme při popisu struktury nukleonů. Tyto kvazičástice byly na jeho počest pojmenovány skyrmiony. Magnetický skyrmion – kruhová konfigurace překlápějících se spinů (připomínající buď ježka, nebo spirálový vír), která je stabilní a může se přemísťovat z místa na místo beze změny tvaru (jde o soliton). V běžných materiálech (Fe, Ir) mají skyrmiony rozměr od jednoho nanometru do několika desítek nanometrů. Lze je vytvářet a ovládat raménkem rastrovacího tunelového mikroskopu. Mohou být využity k zápisu informace (1 – existuje skyrmion, 0 – neexistuje skyrmion) v nastupující generaci spintronických zařízení. Magnetický skyrmion byl předpovězen v roce 2001 a poprvé experimentálně pozorován v roce 2009. Jejich tvorba za pokojové teploty (včetně ovládání) se podařila v roce 2015.

Milníky v historii skyrmionů

Ve většině magnetů, se kterými se setkáte, jsou zdrojem magnetického pole spiny jednotlivých atomů, z nichž je magnet tvořen. To se týká například i magnetu na lednici, kterým si připevňujete důležité poznámky. Za vysokých teplot jsou jednotlivé elementární magnety (spiny) rozmístěny chaoticky, míří náhodnými směry a výsledná magnetizace je nulová. Pokud magnet ochlazujeme, dojde při tzv. Curieově teplotě k fázovému přechodu do nízkoteplotní fáze, pro kterou jsou typické tzv. Weissovy domény. V každé z nich jsou spiny orientovány stejně, ale sousední domény mají orientaci spinů odlišnou. Celková magnetizace je nenulová (domény mají různé velikosti, s klesající teplotou jedna z nich naroste do celého objemu magnetika) a soustava spinů má magnetické vlastnosti. V roce 1972 zjistili britští fyzikové Michael Kosterlitz a David James Thouless, že u některých typů feromagnetik existuje mezi vysokoteplotní neuspořádanou fází a nízkoteplotní doménovou fází ještě jedna fáze, v níž se směr spinů mění jen velmi pomalu a spiny vytvářejí spinové vlny a víry (viz AB 47/2009, AB 37/2016) nejrůznějších velikostí a tvarů.

V roce 2000 předpověděli němečtí teoretici Alexej Bogdanov z Ústavu Maxe PlanckaMPI – Max Planck Institute, největší síť vědeckých ústavů v Německu s po­boč­kami v mnoha velkých městech. Zahrnuje celkem 80 ústavů, jde o německou obdobu naší Akademie věd. a Ulrich Rößler z drážďanského Ústavu pevných látek a materiálů, že by mohly existovat magnetické skyrmiony – osamocené víry odolné vůči vnějším vlivům, které jsou stabilizovány svými topologickými vlastnostmi a mají charakter solitonů. Ukázali, že by skyrmiony měly samovolně vznikat zejména v tenkých magnetických systémech. V roce 2009 pozoroval první skutečné skyrmiony Christian Pfleiderer z Mnichovské technické univerzity. Vznikaly spontánně v nesymetrických krystalech slitiny manganu s křemíkem za nízké teploty kolem 30 kelvinů v přítomnosti magnetického pole. Jejich velikost byla od 20 do 90 nanometrů. Struktury vědci zkoumali pomocí ohybu neutronů a fotografie pořizovali elektronovým mikroskopem TEMTEM – transmisní elektronová mikroskopie, vytváření obrazu tenkého předmětu (cca do 100 nm tloušťky) průchodem energetických elektronů. Obraz tvořený prošlými elektrony je následně zvětšen a zaostřen elektronovou optikou a na stínítku převeden na viditelné záření, které je většinou dále zaznamenáváno CCD kamerou. Pokud je vzorek touto technikou skenován, hovoříme o skenovací transmisní elektronové mikroskopii (STEM). Jinou technikou je SEM, při které se obraz vytváří z odražených elektronů.. Praktickému využití bránila jednak nízká teplota a jednak náhodný vznik skyrmionů, který nebylo možné ovlivnit. Ani velikost vznikajících skyrmionů nebyla ideální. Pro jejich vznik je podstatná nesymetrie krystalické látky, proto začali vědci experimentovat s materiály složenými z tenkých vrstev (nemají všesměrovou symetrii), kde interakce mezi vrstvami změní orientaci spinů sousedních atomů, což je základním předpokladem pro vznik skyrmionu.

V roce 2011 se podařilo skupině vědců pod vedením Stefana Heinze z Kielské univerzity připravit na vrstvě železa (šesterečné uspořádání, atomární tloušťka), pod níž byl podklad z iridia, skyrmiony za teploty 11 kelvinů. Jejich vznik již nebyl samovolný, ale cílený. Skupině se podařilo vytvořit celou čtvercovou mříž skyrmionů. Podle teorie by vznik skyrmionů měl probíhat v tlustších materiálech obsahujících větší množství vrstev i za vyšších teplot. Příprava skyrmionů za pokojové teploty se nakonec podařila v roce 2015 v magnetickém mnohavrstvém materiálu složeném z vrstev iridia, platiny a kobaltu. Skyrmiony byly sice dost veliké (téměř 100 nanometrů), ale cesta k aplikacím za běžné teploty byla otevřena. Tento průlomový krok provedla skupina z francouzského CNRS (Národní centrum vědeckého výzkumu) pod vedením Vincenta Crose.

Fázové přechody od spinových vln přes skyrmiony až po běžné feromagnetikum v závislosti na vnějším magnetickém poli. Experimenty byly prováděny na dvojvrstvě ze železa a paládia nanesené na iridiovém podkladu. Nalevo (A až C) je počítačové znázornění jednotlivých fází, napravo (D) je snímek z mikroskopu STMSTM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10⁻¹⁰ m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže, ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. , (E až F) je rekonstrukce magnetizace, červené pruhy jsou spinové vlny, červené kroužky jsou skyrmiony. V silném poli se materiál stane feromagnetikem. Poslední přeživší skyrmion je vpravo dole zakroužkován. Zdroj: [3].

Vlastnosti skyrmionů

Skyrmiony mají jedinečný tvar, který je chrání před vnějšími vlivy (hovoří se o tzv. topologické ochraně, změně jejich podoby brání zákony zachování tzv. topologických nábojů). Proto přežívají velmi dlouho a jsou odolné k různému rušení, například okolnímu šumu, což znamená, že jsou ideálním médiem pro zápis informace. Skyrmiony se navíc mohou pohybovat, a to jak pod vlivem magnetického pole, tak pod vlivem polarizovaného elektrického prouduPolarizovaný elektrický proud – proud nesený zpravidla elektrony, které mají preferovanou orientaci spinu. Polarizované proudy se používají všude tam, kde daná technologie využívá nejen náboj částice (elektronika), ale i spin částice (spintronika).. Při čtení informace tedy nebude třeba používat pohyblivé mechanické součástky, jak je tomu u klasických harddisků, ale skyrmiony budou prolétat před čtecím senzorem.

Skyrmiony lze vyrobit jednodimenzionální (postupné otočení spinu na malém úseku řetězce spinů), dvojdimenzionální (různé typy vírů a „ježečků“) i třídimenzionální (kulička s atypicky trčícími spiny). Jejich velikosti jsou od jednotek až po stovky nanometrů. Pro technologické aplikace jsou zajímavé zejména velmi malé skyrmiony, kterých může být v daném objemu magnetika velké množství. Všem skyrmionům je společné to, že jejich centrální spin míří opačným směrem než spiny z okolí skyrmionu. V objemových magnetikách se nejčastěji vyskytuje tzv. Blochův skyrmion, který má tvar spirálního víru. Ve vrstvených magnetikách vzniká tzv. Néelův skyrmion, jehož spiny se v radiálním směru postupně překlopí do protisměru a zcela zde chybí překlápění v azimutálním směru. V roce 2017 vytvořil německo-francouzský tým další konfiguraci, které se začalo říkat antiskyrmion [5]. Je mimořádně stabilní i při vysokých teplotách a jde o nejvážnějšího kandidáta pro paměťové technologie budoucnosti.

Různé druhy skyrmionů. V dolní části je v řezu překlápění spinů
(modře azimutální složka, čárkovaně radiální). Zdroj: [5].

Paměťová média a další nové technologie

Do skyrmionů jsou vkládány velké naděje. Mohly by se stát základem nového typu paměťových médií. Technika čtení a zápisu byla zvládnuta už v roce 2015. Základní podmínkou jsou samozřejmě skyrmiony existující za pokojových teplot. V tuto chvíli se zdá, že loni objevený antiskyrmion ve vrstveném magnetiku je přesně tím pravým ořechovým. Nejenom, že je stabilní i při vysokých teplotách, ale na rozdíl od jiných skyrmionů se pohybuje přesně ve směru toku polarizovaného elektrického prouduPolarizovaný elektrický proud – proud nesený zpravidla elektrony, které mají preferovanou orientaci spinu. Polarizované proudy se používají všude tam, kde daná technologie využívá nejen náboj částice (elektronika), ale i spin částice (spintronika).. Skyrmiony lze řadit do vláken nebo plošných či prostorových mříží. V magnetiku se pohybují jako kvazičástice. Jak je patrné z následujícího videa, pohyb v pevné látce vzniká postupným překlápěním spinů. Potřebné elektrické proudy jsou o mnoho řádů nižší, než je nutné ke čtení a zápisu na současných magnetických médiích. V letošním roce se podařilo skyrmiony „rozpohybovat“ na rychlost 100 metrů za sekundu, ideální by byla rychlost ještě několikanásobně vyšší. Na klasickém médiu se sousední bity navzájem ovlivňují, což limituje hustotu zápisu. Skyrmiony se nejenže neovlivňují, ale mohou být až o dva řády menší (klasické domény mají stovky nanometrů, skyrmiony mohou mít jen několik nanometrů), což umožní mnohonásobně vyšší hustotu zápisu na nová média.

Pohybující se magnetický skyrmion – stabilní konfigurace spinů šířící se prostorem
beze změny tvaru. Zdroj: Ella Maru Studio/Science.

Z doposud vyvíjených pamětí je nejbližší tzv. Racetrack Memory. Paměť navrhl v roce 2008 anglický fyzik Stuart Parkin pracující pro společnost IBM. Řetězec domén se pohybuje pod vlivem elektrického proudu kolem čtecího a zapisovacího senzoru bez jakýchkoli mechanických součástí. Po deseti letech vývoje připravuje společnost IBM výrobu těchto pamětí. V blízké budoucnosti by mohly být střídající se domény nahrazeny řetězci skyrmionů ve vrstevnatém magnetiku, což by výrazně zvýšilo kapacitu média. Skyrmiony lze řadit nejen do vláken, ale tato vlákna lze i zprohýbat do smyček, čímž se dosáhne ještě vyšší hustoty zápisu. Předpokládá se, že logická jednička bude znamenat přítomnost skyrmionu, nula naopak jeho nepřítomnost. Obdobný systém už vyzkoušela skupina vědců z Číny, Ruska, Švédska a Německa, která připravila nanopásek s vrstvami železa a germánia, v němž vytvořili řetězce válcových vírů (skyrmionů) o průměru 40 nanometrů, které rozpohybovali a úspěšně s nimi manipulovali.

Skyrmiony budou mít i další využití. Měly by se stát základem nového procesoru s extrémně nízkými energetickými nároky a sítě skyrmionů by mohly vytvořit „biologický počítač“ simulující síť neuronů v lidském mozku. Napětí na neuronu by odpovídalo dráze uražené skyrmionem a výkonný povel neuronu (uvolnění akčního potenciálu) by korespondovalo s dopadem skyrmionu do detektoru. Zatím jde sice jen o úvahy, ale právě v této oblasti postupuje vývoj natolik rychle, že se máme na co těšit v nejbližší budoucnosti. A na závěr ještě jedna zcela žhavá novinka: skupině vědců z Německa, Švédska, Francie a České republiky [6] se podařilo pomocí antiskyrmionu generovat skyrmionové-antiskyrmionové páry. Je možné, že studium skyrmionů přispěje i k pochopení některých problémů z oblasti elementárních částic.

Magnetické nanovlákno. V horní části jsou spiny uspořádány do šroubovice. V dolní části vytvářejí řetězec skyrmionů o průměru 120 nm a délce 500 nm. Ve výřezech je zobrazen jejich tvar ve dvou místech vlákna. Zdroj: [7].

Videoklip na závěr

Principy logických operací se skyrmiony, které by se měly stát základem
skyrmionového počítače. Zdroj: YT/Xichao Zhang.

Odkazy