Skyrmion: het magnetische wervelinkje dat computergeheugen kan revolutioneren
Stel je een magneet voor waarvan de kleine interne kompasnaaldjes normaal allemaal netjes dezelfde kant op wijzen. Op sommige plekken in bepaalde materialen ontstaat echter een piepklein wervelpatroon: in het midden wijst een naaldje bijvoorbeeld recht naar beneden, en daaromheen draaien de naaldjes geleidelijk bij tot ze aan de rand weer naar boven wijzen, net als de stroming rond een klein tornado. Zo'n magnetisch wervelknoopje heet een skyrmion, en het is opmerkelijk stabiel: je kunt het niet zomaar 'uitgommen' zonder de omliggende naaldjes ook flink te verstoren.
Die stabiliteit maakt skyrmionen interessant als drager van digitale informatie. Waar een harde schijf nu gebieden met magnetisatie 'omhoog' of 'omlaag' gebruikt als nullen en enen, zouden toekomstige chips piepkleine skyrmionen kunnen gebruiken: wel een wervel op een plek betekent bijvoorbeeld een 1, geen wervel betekent een 0. Omdat een skyrmion maar een paar nanometer groot kan zijn en met heel weinig stroom te verplaatsen is, hopen natuurkundigen hiermee geheugens te bouwen die kleiner, sneller en zuiniger zijn dan wat we nu hebben.
Wat is het precies?
Een skyrmion ontstaat in bepaalde magnetische materialen waarin drie krachten met elkaar wedijveren. Ten eerste is er de gewone uitwisselingswisselwerking, die naburige spins (de kleine magnetische momenten van elektronen, te vergelijken met minuscule kompasnaaldjes) het liefst parallel houdt. Ten tweede is er in sommige kristallen een effect genaamd de Dzyaloshinskii-Moriya-interactie, vernoemd naar de natuurkundigen die het beschreven: deze wisselwerking wil spins juist een beetje laten kantelen ten opzichte van elkaar. Wanneer deze twee krachten samen met een extern magneetveld in balans zijn, kan het energetisch voordeliger zijn om een klein gedraaid wervelpatroon te vormen dan om alle spins strak evenwijdig te houden.
Het bijzondere aan een skyrmion is dat het topologisch beschermd is. Dat betekent dat de wervelstructuur wiskundig gezien niet geleidelijk kan 'ontrafelen' tot een gewoon uniform magnetisch gebied; er moet een abrupte, energetisch kostbare sprong gebeuren om het patroon te vernietigen. Vergelijk het met een knoop in een touw: je kunt het touw buigen en verplaatsen zoveel je wilt, de knoop blijft zitten totdat je hem er actief uithaalt. Die ingebouwde robuustheid is precies waarom skyrmionen aantrekkelijk zijn voor geheugentoepassingen: eenmaal aangemaakt, vallen ze niet zomaar per ongeluk uit elkaar door kleine trillingen of temperatuurschommelingen.
Skyrmionen kunnen bovendien worden verplaatst door er een elektrische stroom doorheen te sturen. De elektronen in die stroom oefenen via hun eigen spin een klein 'duwtje' uit op de wervelstructuur, een effect dat spin-transfer-torque heet. Omdat een skyrmion een samenhangend, stabiel object is, is er verrassend weinig stroom nodig om het te laten bewegen, veel minder dan nodig is om een gewone magnetische domeinwand te verplaatsen.
Wat wil men ermee bereiken?
Het hoofddoel is een nieuw type computergeheugen dat de voordelen van harde schijven (goedkoop, niet-vluchtig, dus data blijft bewaard zonder stroom) combineert met de snelheid van het huidige werkgeheugen (RAM). Het bekendste voorstel hiervoor heet racetrack memory: een idee, oorspronkelijk met magnetische domeinwanden en later met skyrmionen, waarbij data wordt opgeslagen als een reeks magnetische 'kraaltjes' op een nanodraadje. Een stroompuls schuift de hele reeks langs een vast leeskopje, vergelijkbaar met een schuifpuzzel. Omdat er geen bewegende mechanische onderdelen zijn zoals in een harde schijf, zou dit sneller, energiezuiniger en duurzamer kunnen zijn.
Daarnaast kijken onderzoekers naar skyrmionen voor neuromorf rekenen: chips die geïnspireerd zijn op de werking van hersenen. Het gedrag van skyrmionen, die elkaar kunnen afstoten en op een subtiele, niet-lineaire manier reageren op stroompulsen, lijkt op sommige manieren op hoe neuronen en synapsen signalen verwerken. Dat maakt ze een kandidaat-bouwsteen voor energiezuinige patroonherkenning, bijvoorbeeld voor toepassingen in kunstmatige intelligentie waarbij traditionele chips veel stroom verbruiken.
Een breder motief achter dit onderzoeksveld, de spintronica (spin-elektronica), is simpelweg dat de miniaturisering van gewone siliciumchips tegen fysieke grenzen aanloopt. Door niet alleen de lading maar ook de spin van elektronen te gebruiken om informatie te dragen, hopen natuurkundigen nieuwe wegen te vinden om chips kleiner en zuiniger te maken nu klassieke transistors moeilijker te verkleinen zijn.
Voorbeelden uit de praktijk
Skyrmionen werden voor het eerst indirect zichtbaar gemaakt in 2009 door een Duits-Zwitsers team onder leiding van Sebastian Mühlbauer en Christian Pfleiderer, dat met neutronenverstrooiing een regelmatig skyrmion-rooster aantoonde in het materiaal mangaansilicide (MnSi) bij lage temperatuur. Een jaar later, in 2010, lukte het een Japans team onder leiding van Xiuzhen Yu om individuele skyrmionen ook rechtstreeks in beeld te brengen, met een elektronenmicroscoop, in de legering Fe0,5Co0,5Si.
In 2013 gebruikte de groep van Roland Wiesendanger aan de Universiteit van Hamburg scanning-tunneling-microscopie om voor het eerst individuele skyrmionen van slechts enkele nanometers groot te zien en zelfs één voor één te manipuleren, in een dun laagje palladium-ijzer op een iridium-ondergrond.
Het idee van skyrmion-racetrack-geheugen werd in 2013 uitgewerkt door Albert Fert (Nobelprijswinnaar Natuurkunde 2007, samen met Peter Grünberg, voor de ontdekking van reuzemagnetoweerstand), samen met Vincent Cros en Joao Sampaio, in een veelgeciteerd artikel in Nature Nanotechnology.
Rond 2015-2016 toonden groepen bij onder meer IBM en de Franse onderzoeksinstelling CNRS, waaronder werk van Seonghoon Woo en collega's, aan dat skyrmionen ook bij kamertemperatuur stabiel konden bestaan in gestapelde dunne metaallaagjes zoals kobalt-platina-multilagen, een belangrijke stap omdat veel eerdere waarnemingen alleen bij extreem lage temperaturen lukten.
Meer recent experimenteren onderzoeksgroepen, onder andere aan de Johannes Gutenberg-universiteit in Mainz, met kleinschalige demonstraties van skyrmion-gebaseerde reservoir computing, een vorm van neuromorf rekenen waarbij het complexe bewegingsgedrag van meerdere skyrmionen in een materiaal wordt gebruikt om rekenpatronen te herkennen.
Hoe ver is de techniek?
Skyrmion-technologie bevindt zich nog volledig in de onderzoeksfase. Er bestaan geen commercieel verkrijgbare skyrmion-geheugenchips; het werk speelt zich af in laboratoria, op onderzoeksprototypes en in gepubliceerde experimenten, niet in productielijnen.
Er is de afgelopen vijftien jaar wel duidelijke vooruitgang geboekt: van skyrmionen die alleen bij temperaturen ver onder nul waarneembaar waren, naar stabiele skyrmionen bij kamertemperatuur in kunstmatig gestapelde materialen; van skyrmionen van honderden nanometers naar exemplaren van slechts enkele nanometers doorsnede; en van puur waarnemen naar gecontroleerd aanmaken, verplaatsen en weer laten verdwijnen met stroompulsen.
Toch zijn er hardnekkige technische obstakels. Het bekendste is het skyrmion Hall-effect: wanneer je een skyrmion met een stroompuls in een rechte lijn wilt duwen, drijft het door zijn wervelvormige structuur ook een stukje zijwaarts af, als een fietser die zijdelings wegglijdt. Voor een geheugenchip waarin data in nette rijtjes langs een leeskopje moet bewegen, is dat een lastig probleem. Onderzoekers proberen dit op te lossen met antiferromagnetische materialen, waarin twee tegengesteld gerichte spinroosters de zijwaartse afwijking grotendeels opheffen, maar dat brengt weer andere fabricage-uitdagingen met zich mee.
Andere obstakels zijn de benodigde stroomdichtheid om skyrmionen betrouwbaar te verplaatsen (die moet nog omlaag voor praktisch energiezuinig gebruik), de thermische stabiliteit bij de temperaturen die in echte apparaten voorkomen, en het reproduceerbaar fabriceren van de precieze, vaak zeer dunne gelaagde materialen die nodig zijn. Serieuze experts in het veld schatten dat praktische toepassingen, als ze er al komen, nog zeker een tot twee decennia verder onderzoek en materiaalontwikkeling vergen.
Wie werken eraan?
Het onderzoek is sterk internationaal verspreid over academische en industriële laboratoria. In Duitsland spelen de Universiteit van Hamburg (de groep van Roland Wiesendanger, pionier in het microscopisch afbeelden van individuele skyrmionen), het Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle (waar Stuart Parkin, bekend van eerder werk aan racetrack memory bij IBM, nu werkt) en de Johannes Gutenberg-universiteit Mainz (de groep van Mathias Kläui) een prominente rol.
In Japan is het RIKEN Center for Emergent Matter Science een belangrijk centrum, met onderzoekers als Yoshinori Tokura en Naoto Nagaosa die fundamenteel bijdroegen aan het theoretisch begrip van skyrmionen in vaste stoffen.
In Frankrijk is het CNRS, onder meer via het laboratorium Unité Mixte de Physique CNRS/Thales waar Albert Fert werkzaam is (geweest), nauw betrokken bij zowel de theorie van skyrmion-racetrack-geheugen als experimenteel werk aan kamertemperatuur-skyrmionen, vaak in samenwerking met techbedrijven.
Onder de industriële partijen heeft IBM, met name via zijn onderzoekscentra in de Verenigde Staten en Europa, gepubliceerde experimenten gedaan aan skyrmions in dunne-filmstapels als onderdeel van breder spintronica-onderzoek. Ook Amerikaanse universiteiten zoals UCLA (met onderzoek naar spin-orbit-koppeling voor skyrmion-manipulatie) en nationale laboratoria zoals Argonne National Laboratory dragen bij, veelal met financiering van overheidsinstanties als de Amerikaanse National Science Foundation en het Duitse Deutsche Forschungsgemeinschaft. Het blijft grotendeels fundamenteel onderzoek, verspreid over tientallen universiteiten en instituten wereldwijd, zonder dat één land of bedrijf een duidelijke voorsprong naar commercialisering heeft.