Magnetische wervels bewegen liever één kant op door nauw poortje

Diffusie, het willekeurig verspreiden van deeltjes, kennen we allemaal: een druppel inkt die uitvloeit in water, of geur die zich door een kamer verspreidt. Meestal gebeurt dat symmetrisch: deeltjes hebben geen voorkeursrichting. Een team van de Waseda University in Japan laat nu zien dat dit anders werkt voor skyrmions, minuscule magnetische wervelpatronen die zich als deeltjes gedragen. Hun bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift npj Spintronics, openen een onverwachte route naar nieuwe soorten rekenhardware voor kunstmatige intelligentie.

Wervels die zich gedragen als deeltjes

Skyrmions ontstaan wanneer de magnetische momenten van atomen in een dun magnetisch laagje een klein, stabiel draaikolkpatroon vormen op de kristalstructuur van het materiaal. Ondanks dat het om een magnetisch patroon gaat en niet om een fysiek object, gedragen skyrmions zich in veel opzichten als deeltjes: ze kunnen bewegen, botsen en zelfs willekeurig 'rondwarrelen' door de warmtebeweging van het materiaal, vergelijkbaar met stuifmeelkorrels die dobberen in water. Onderzoekers zien in dit gedrag kansen voor nieuwe manieren van informatieverwerking, omdat het toevallige, chaotische karakter van deze beweging in theorie te sturen is met de vorm van de omgeving.

Een deur die niet in het midden hangt

Het team onder leiding van professor Masahito Mochizuki en universitair hoofddocent Xichao Zhang bouwde een theoretisch model van twee met elkaar verbonden 'kamers' in een nanogestructureerd magnetisch laagje, gescheiden door een smalle opening die niet in het midden zit. Uit simulaties met meerdere skyrmions bleek dat deeltjes die vanuit de linkerkamer op de opening afkwamen, veel vaker naar de rechterkamer overstaken dan andersom. Bij een poortje dat wél precies in het midden zat, was er geen voorkeursrichting. De verklaring ligt in het gedrag van skyrmions bij een wand: doordat ze een magnetische draairichting hebben, worden ze door de wand niet recht teruggekaatst maar zijwaarts afgebogen, in een soort rondtollende beweging. Omdat de asymmetrische poort skyrmions vanuit verschillende richtingen met andere delen van de wand laat kennismaken, ontstaat er een duidelijke voorkeursrichting in de diffusie.

Betekenis voor toekomstige chips

De onderzoekers ontdekten ook dat de breedte van de opening cruciaal is: een veel te brede poort laat alle skyrmions ongehinderd door, een te smalle poort houdt ze juist allemaal tegen. Alleen bij een precies afgestemde breedte ontstaat de asymmetrische stroom. Ook zagen ze dat twee skyrmions soms tijdelijk om elkaar heen draaien voordat ze verder diffunderen, wat laat zien hoe belangrijk onderlinge interacties zijn. Volgens Mochizuki opent dit een nieuw onderzoeksveld binnen de niet-evenwichtsstatistiek van magnetische materialen. Zhang wijst erop dat de meeste eerdere studies zich richtten op een los skyrmion of een vast rooster ervan, terwijl juist de interactie tussen meerdere skyrmions in een gestructureerde omgeving onverwacht rijk gedrag oplevert. Dat maakt het volgens hem interessant voor natuurkundig geïnspireerde rekenchips, waarin willekeur, geometrie en magnetisme samen informatie verwerken zonder dat daar traditionele transistors aan te pas komen.