Ljusstimulerade bimeroner i en kiral magnet

Skriva små magnetiska virvlar med ljus

Moderna datorer förflyttar information med elektriska laddningar, vilket slösar energi som värme. Fysiker utforskar nya sätt att lagra och flytta data med stabila, virvlande magnetmönster som beter sig som partiklar. Denna studie visar att ultrafast laserblixtar pålitligt kan "skriva" en särskild typ av magnetisk virvel, kallad bimeron, i ett tunt kristallskikt vid rumstemperatur, och att dessa virvlar kan ställas in med ett måttligt magnetfält. Arbetet pekar mot framtida lågenergiminnes- och logikenheter som styrs av ljus istället för ledningar.

Små magnetiska knutar som informationsbärare

I vissa magneter linjerar sig inte de små atomära magneterna; i stället vrider de sig till miniatu­ra virvelströmmar kallade topologiska spinnstrukturer. Eftersom vridningarna inte kan tas bort utan en större omorganisation är dessa strukturer ovanligt stabila och kan fungera som robusta informations­bitare. De mest kända exemplen är skyrmioner, som är runda virvlar i magneter där den föredragna riktningen är ut ur planet. I magneter där spinn föredrar att ligga i planet kan släktingar som meroner och bimeroner bildas. En bimeron är i praktiken ett bundet par av halvvirvlar som tillsammans beter sig som en partikel. De är attraktiva för framtida elektronik och spintronik eftersom de i princip kan flyttas med små elektriska strömmar, packas tätt och användas i nanoskala utan att lätt falla isär.

Använda laserblixtar för att skapa magnetiska virvlar

Forskarna arbetade med tunna plattor av en kiral magnet bestående av kobolt, zink och manganese (Co₈Zn₈Mn₄). I detta material gynnar en intern vridande växelverkan naturligt spiralformade magnetmönster, och magneten förblir ordnad ovanför rumstemperatur. Teamet formade tunna skivor endast 90–200 nanometer tjocka och observerade deras magnetism direkt i ett transmissions-elektronmikroskop som kan avbilda magnetiska strukturer. De skickade sedan enstaka femtosekunds (en biljondel av en miljarddels sekund) laserpulser mot provet. Varje puls värmde magneten extremt snabbt, störde temporärt dess ordnade mönster och drev den in i ett oordnat, högenergistatus. När provet svalnade inom miljard- till miljondelar av en sekund omorganiserades magnetiseringen, och stabila bimeroner uppstod när systemet slappnade av.

Ställa in bimeroner med ett milt magnetfält

Genom att applicera ett litet magnetfält vinkelrätt mot den tunna plattan kunde teamet styra vilken typ och hur många bimeroner som bildades. Vid nollfält gav laserpulserna en blandning av två spegelbildsbimeroner. Även måttliga fält på bara några tiotals millitesla lutade energibalansen så att en typ blev mer fördelaktig och dominerade mönstret. När fältet ökade växte antalet bimeroner först till ett maximum för att sedan avta och försvinna bortom ett tröskelfält. Noggranna experiment på plattor av olika tjocklek visade att, trots förändringar i hur mönstren såg ut i mikroskopet, var de underliggande tredimensionella magnetiska vridningarna topologiskt desamma. Med andra ord berodde inte bimeronens väsentliga "knuttyp" på hur tjock plattan var.

Zooma in på den interna magnetiska strukturen

Parallellt med avbildningen körde teamet detaljerade dator­simuleringar av magnetens beteende med en mikromagnetisk modell som inkluderade den vridande växelverkan, vanlig magnetisk styvhet och provets formpåverkan. De tog också hänsyn till ett tunt, skadat ytskikt som uppstod under tillverkningen, där den vridande växelverkan är reducerad. Med start från en slumpmässig spinnfördelning slappnade simuleringarna mot låg­energistater och producerade bimeronmönster som väl matchade de experimentella bilderna, både i densitet och kontrast. Beräkningarna visade hur varje bimeron är uppbyggd av två länkade meroner med olika former, och hur den omgivande magnetiska bakgrunden, när fältet ökar, gradvis rätas ut från ett lutat, konliknande mönster mot ett helt enhetligt tillstånd.

Från bimeroner till skyrmioner och framtida enheter

Genom att öka magnetfältet i simuleringarna observerade forskarna en jämn omvandling från bimeroner till mer symmetriska skyrmioner när den omgivande magnetiseringen blev fullt linjerad. I det verkliga experimentet vid rumstemperatur orsakade termiska fluktuationer att bimeronerna kollapsade innan denna slutliga övergång kunde ses, men överensstämmelsen mellan teori och mätning stöder en enhetlig bild som behandlar bimeroner och skyrmioner som nära besläktade topologiska objekt. Sammanfattningsvis visar arbetet att en enskild ultrafast ljuspuls pålitligt kan skriva kontrollerbara bimeronmönster i en film med magnetisering i planet. Denna optiska kontroll av beständiga magnetiska knutar representerar ett viktigt steg mot framtida minnes- och beräkningstekniker som använder ljus och magnetism för att bearbeta information med avsevärt lägre energi än dagens elektronik.

Citering: 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

Nyckelord: bimeroner, ultrafast laser, topologisk magnetism, spintronik, skyrmioner