Licht-geïnduceerde bimeronen in een chirale magneet

Het schrijven van kleine magnetische wervels met licht

Moderne computers verplaatsen informatie met elektrische ladingen, wat energie verliest als warmte. Fysici onderzoeken nieuwe manieren om gegevens op te slaan en te verplaatsen met stabiele, wentelende magnetische patronen die zich als deeltjes gedragen. Deze studie toont aan dat ultrasnelle laserflitsen op betrouwbare wijze een speciaal soort magnetische wervel, een bimeron, in een dun kristal bij kamertemperatuur kunnen "schrijven", en dat deze wervels met een bescheiden magnetisch veld zijn bij te sturen. Het werk wijst op toekomstige energiezuinige geheugen- en logica-apparaten die door licht in plaats van door draden worden aangestuurd.

Kleine magnetische knopen als informatiedragers

In sommige magneten lijnen de kleine atomaire magneten zich niet allemaal uit; in plaats daarvan draaien ze zich op tot miniatuurwervelingen die topologische spinstructuren worden genoemd. Omdat die wendingen niet kunnen worden teruggedraaid zonder een ingrijpende herschikking, zijn deze structuren uitzonderlijk stabiel en kunnen ze fungeren als robuuste informatiebits. De bekendste voorbeelden zijn skyrmions, ronde wervels in magneten waarvan de voorkeursrichting uit het vlak is. In magneten waarin spins de neiging hebben in het vlak te liggen, kunnen verwante objecten zoals merons en bimeronen ontstaan. Een bimeron is feitelijk een gebonden paar halve wervels die samen als één deeltje functioneren. Ze zijn aantrekkelijk voor toekomstige elektronica en spintronica omdat ze in principe door kleine elektrische stromen verplaatst kunnen worden, dicht opeengepakt kunnen worden en op nanoschaal gebruikt kunnen worden zonder gemakkelijk uiteen te vallen.

Laserflitsen gebruiken om magnetische wervels te creëren

De onderzoekers werkten met dunne plaatjes van een chirale magneet gemaakt van kobalt, zink en mangaan (Co₈Zn₈Mn₄). In dit materiaal bevordert een interne draai-interactie van nature spiraalachtige magnetische patronen, en het magneetordenen blijft bestaan boven kamertemperatuur. Het team vormde dunne platen van slechts 90–200 nanometer dik en observeerde hun magnetisme direct in een transmissie-elektronenmicroscoop die magnetische structuren kan afbeelden. Vervolgens vuurde men enkele femtoseconde (één biljardste van een seconde) laserpulsen op het monster af. Elke puls verwarmde het magneten extreem snel, verstoorde tijdelijk het geordende patroon en dreef het in een ongeordende, hoogenergetische toestand. Terwijl het monster binnen nanoseconden tot microseconden afkoelde, reorganiseerde de magnetisatie zich en ontstonden stabiele bimeronen toen het systeem tot rust kwam.

Bimeronen bijsturen met een zwak magnetisch veld

Door een klein magnetisch veld loodrecht op de dunne plaat toe te passen, kon het team sturen welk type en hoeveel bimeronen zich vormden. Bij nul veld produceerden de laserpulsen een mengsel van twee spiegelbeeldige bimeronen. Zelfs bescheiden velden van slechts enkele tientallen millitesla kantelden de energiebalans zodat één type gunstiger werd en het patroon domineerde. Naarmate het veld toenam, nam het aantal bimeronen eerst toe tot een maximum en daalde daarna weer, om voorbij een drempelveld te verdwijnen. Zorgvuldige experimenten aan platen van verschillende dikte lieten zien dat, ondanks veranderingen in hoe de patronen in de microscoop leken, de onderliggende driedimensionale magnetische wendingen topologisch hetzelfde waren. Met andere woorden, het essentiële “knooptype” van het bimeron hing niet af van de dikte van de plaat.

Inzoomen op de interne magnetische structuur

Naanvullend op de beeldvorming voerde het team gedetailleerde computersimulaties uit van het gedrag van de magneet met een micromagnetisch model dat de draai‑interactie, gewone magnetische stijfheid en de invloed van de monstergeometrie omvatte. Ze hielden ook rekening met een dun, beschadigd oppervlaklaagje dat tijdens de fabricage ontstaat, waar de draai‑interactie is verminderd. Beginnend vanuit een willekeurige spin‑verdeling ontspanden de simulaties naar laagenergetische toestanden en produceerden bimeronpatronen die sterk overeenkwamen met de experimentele beelden, zowel in dichtheid als in contrast. De berekeningen toonden hoe elk bimeron is opgebouwd uit twee gekoppelde merons met verschillende vormen, en hoe, naarmate het veld toeneemt, de omringende magnetische achtergrond geleidelijk rechttrekt van een gekanteld, kegelachtig patroon naar een volledig uniforme toestand.

Van bimeronen naar skyrmions en toekomstige apparaten

Door het magnetische veld hoger te duwen in de simulaties observeerden de onderzoekers een vloeiende transformatie van bimeronen naar meer symmetrische skyrmions zodra de omringende magnetisatie volledig uitgelijnd was. In het echte experiment bij kamertemperatuur zorgden thermische fluctuaties ervoor dat de bimeronen instortten voordat deze laatste overgang kon worden waargenomen, maar de overeenstemming tussen theorie en meting ondersteunt een eenduidig beeld dat bimeronen en skyrmions als nauw verwante topologische objecten behandelt. Al met al toont het werk aan dat een enkele ultrasnelle lichtpuls betrouwbare en bestuurbare patronen van bimeronen in een in‑vlak gemagnetiseerde film kan schrijven. Deze optische controle van duurzame magnetische knopen vormt een belangrijke stap richting toekomstige geheugen- en rekentechnologieën die licht en magnetisme gebruiken om informatie met veel minder energie te verwerken dan de huidige elektronica.

Bronvermelding: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

Trefwoorden: bimeronen, ultrasnelle laser, topologische magnetisme, spintronica, skyrmions