Vědci poprvé vytvořili 3D magnetické struktury „Hopfiony“, které mohou revolučně změnit ukládání dat

Mezinárodní tým vědců poprvé experimentálně pozoroval a vytvořil magnetické hopfiony, nové trojrozměrné magnetické struktury. Tyto struktury jsou tvořeny elektronovými spiny, které v omezeném objemu vytvářejí uzavřené, propojené smyčky a směřují do všech možných směrů.

Mezinárodní tým vědců poprvé experimentálně pozoroval a vytvořil magnetické hopfiony, nové trojrozměrné magnetické struktury. Tyto struktury jsou tvořeny elektronovými spiny, které v omezeném objemu vytvářejí uzavřené, propojené smyčky a směřují do všech možných směrů. Existence hopfionů byla sice teoreticky předpovězena, ale jejich experimentální důkaz představoval až dosud významnou překážku.

Švédsko-německo-lucembursko-čínská spolupráce prokázala existenci těchto magnetických hopfionů za použití femtosekundových laserových záblesků. Hopfiony jsou fascinující díky své struktuře – jsou to stabilní trojrozměrné objekty tvořené spiny, které vytvářejí uzavřené a propojené smyčky. Jakmile vzniknou, udržují si svůj tvar a jsou do značné míry nedotčeny okolním prostředím, uvedl Philipp Rybakov, výzkumník z Katedry fyziky a astronomie na Uppsalské univerzitě.

Magnetismus byl dlouho vnímán jako jednoduchý, jednosměrný jev. Například magnet na lednici ukazuje jedním směrem a informace na pevných discích jsou ukládány v jednoduchých, plochých liniích. Na nanometrové úrovni se však magnetismus chová mnohem složitěji. Vzniká ze spinu – kvantové vlastnosti, která funguje jako mikroskopický vnitřní kompas uvnitř každého elektronu. Když se nespočet těchto spinů vzájemně ovlivňuje v pevném materiálu, přirozeně vznikají stabilní a složité vzory.

Hopfion je stabilní, trojrozměrná magnetická struktura, kde elektronové spiny směřují do všech myslitelných směrů v omezeném prostoru. Materiál se setkává s obrovskými energetickými bariérami, které mu brání přirozeně dosáhnout tohoto stavu. K překonání těchto bariér se výzkumníci obrátili k extrémní rychlosti a použili femtosekundové lasery. Femtosekunda je nepředstavitelně malý zlomek času, konkrétně jedna miliontina miliardtiny sekundy.

K zachycení těchto hopfionů byly použity asymetrické chirální krystaly. Tyto krystaly jsou 110–200 nanometrů tenké filmy germania a železa, jejichž zrcadlově-obrazová struktura přirozeně nutí magnetické spiny do jedinečných uspořádání. Jelikož normální energetické bariéry obvykle brání vzniku hopfionů, tým použil ultra-rychlé femtosekundové laserové pulzy k vyvedení spinového systému z rovnováhy. Lasery prudce vyvedly elektrony materiálu z jejich „komfortní zóny“. Tato strategie dokonale zafungovala. Náhlý otřes donutil spiny reorganizovat se. Když se situace uklidnila, spiny se stabilizovaly do pevně propojených, uzavřených smyček. Hopfion se zrodil.

Prokázání vzniku hopfionu vyžadovalo komplexní potvrzení. Vědci se obrátili k pokročilé elektronové mikroskopii, aby pozorovali materiál v reálném čase po každém laserovém úderu. Současně byl použit specializovaný simulační program Excalibur k vytvoření digitálních dvojčat experimentu. Ten modeloval, jak se miliony interagujících spinů vyvíjejí, aby znovu vytvořily přesně stejné magnetické vzory. „Teorie nám pomohla ukázat správný směr, experimenty zviditelnily struktury a simulace a topologie nám pomohly interpretovat to, co jsme viděli,“ řekl Rybakov.