Szemben az Ising-modellel, ahol az atomi mágneses momentumok csak két irányba mutathatnak (fel és le), egy (közel) izotróp rendszerben a spineket klasszikusan egy, a három dimenzióban tetszőleges irányba mutató nyíllal ábrázolhatjuk. (A klasszikus közelítést meghaladva a valójában kvantumos spinek ábrázolása ennél gazdagabb.) Valódi anyagokban nemcsak a legközelebbi szomszédok kölcsönhatása érvényesülhet, hanem több, egymással versengő kölcsönhatás is jelen lehet, ami összetett mágnes mintázatok megjelenését eredményezheti. Általában a legerősebb az ún. Heisenberg-féle kicserélődési kölcsönhatás, amelyhez tartozó energiatag a kölcsönható spinek skalárszorzatával arányos (S1 ∙ S2), így azok egymással párhuzamos vagy antiparallel, kollineáris rendeződését preferálja. Azonban, ha a távolabbi szomszédokkal történő kölcsönhatás ellentétes irányú rendnek kedvezne, kompromisszumos megoldásként, a spinek térben csavarodó mintázatot, spinspirált alakíthatnak ki. Egy másik lehetőség, ha a kölcsönható spinek között nincs középpontos tükrözési szimmetria, hogy megjelenhet a relativisztikus eredetű, a spinek (S1 × S2) keresztszorzatával arányos ún. Dzjalosinszkij–Morija (Dzyaloshinskii–Moriya) kölcsönhatás is. Mivel az utóbbi általában gyenge, ezért a Heisenberg- és a Dzjalosinszkij–Morija-kölcsönhatások versengése miatt megjelenő spinspirál mintázat periódusa lényegesen nagyobb, mint az atomok közötti távolság. Ebben az esetben a diszkrét atomi rácspontokon értelmezett spinek helyett bevezethető azok folytonos mezője.

Olekszij (Alexei) Bogdanov és munkatársai az 1980-as évek végén publikált úttörő munkáikban arra keresték a választ, hogy a mágnesezettségmezőben milyen, a homogén ferromágneses fázistól eltérő mintázatok jelenhetnek meg (Bogdanov–Yablonskii, 1989a, 1989b; Bogdanov–Hubert, 1994a, 1994b). Megjósolták, hogy azokban a mágneses anyagokban, amelyek kristályrácsa sérti a középpontos tükrözési szimmetriát, a spirális mintázat mellett megjelenhetnek háromszögrácsba rendeződött spinörvények is. Még az 1960-as években, Tony Skyrme angol fizikus kidolgozott egy elméletet, amely az elemi részecskék stabilitását egy magasabb dimenziós mező „örvényeivel”, nemtriviális topológiájú hibáival magyarázta (Skyrme, 1962). Az ezekkel analóg spinörvényeket később mágneses skyrmionoknak nevezték el. Bogdanov és munkatársai mágnesezettségmezőkkel kapcsolatos elméleti munkái előre jelezték azt is, hogy egyedi skyrmionok jelenhetnek meg a ferromágneses fázisban, amelyek szabad részecskékhez hasonlítanak. Ezeknek a részecskeszerű állapotoknak a (meta)stabilitását a skyrmion nemtriviális örvénylése, topológiája adja, azaz a spinmező folytonos deformációjával a skyrmiont nem lehet eltüntetni. Ez a topologikus stabilitás.

A mágneses skyrmionok első megfigyelésére harminc évet kellett várni. Christian Pfleiderer és csoportja 2009-ben publikált munkájukban egy tükrözési szimmetria nélküli rácsban kristályosodó, azaz királis mágnest, a MnSi-kristályt vizsgálta. Kisszögű neutronszórás (Small Angle Neutron Scattering, SANS) kísérleteikben a mágneses momentummal bíró neutronok elhajlását figyelték meg, és a mágneses térre merőleges síkban megjelenő, hatfogású szimmetriát mutató szórási képet skyrmionok 20 nm-es rácsállandójú háromszögrácsával tudták értelmezni (Mühlbauer et al., 2009). A következő évben, Tokura Josinori (Yoshinori Tokura) laboratóriumában, transzmissziós elektronmikroszkópia (TEM) segítségével sikerült a skyrmionokat közvetlenül, valós térben is detektálni (Yu et al., 2010). Kísérletükben a spinmintázat által keltett mágneses mező a Lorentz-erőn keresztül elhajlította az elektronnyaláb pályáját, amit képalkotásra használtak fel.

 

A mágneses skyrmionok – nanométeres kiterjedésük és a vezetési elektronokkal történő erős kölcsönhatásuk miatt, valamint annak okán, hogy mágneses vékonyrétegekben is sikerült stabilizálni azokat – felkeltették a mágneses adattárolással foglalkozó szakemberek figyelmét. A Stuart Parkin által az IBM-nél vezetett kutatócsoport az ún. mágneses versenypálya-memória koncepcióját javasolta új típusú, nagy adatsűrűségű, nem illékony memóriának (Parkin et al., 2008). A koncepció lényege, hogy mágneses nanoszalagokat a síkból kiemelve hajtogatnának fel, ami egységnyi felületen nagyobb adattárolási kapacitást engedne meg. Ahhoz, hogy a versenypálya-memória mechanikai hatásokkal szemben ellenállóbb legyen, a merevlemezekből ismert mozgó alkatrészeket elhagynák, és az adattárolásban részt vevő mágneses doménfalakat áramimpulzusokkal mozgatnák az író/olvasófej alatt. A Nobel-díjas Albert Fert és csoportja szimulációk segítségével demonstrálta, hogy a skyrmionok sokkal kisebb áramsűrűségekkel mozgathatók, mint a doménfalak, ezért alkalmazásuk előnyös lehet ilyen adattárolókban (Fert et al., 2013). Az elmúlt években számos új elképzelés is megjelent, amelyek a fenti jelenségek kiaknázásával a skyrmionok logikai egységekben vagy neurális hálózatokban történő alkalmazására tettek javaslatot. Ezen lehetőségek, valamint a topologikus spinstruktúrák új típusainak elméleti és kísérleti vizsgálata jelenleg is nagyon aktív kutatási terület, amit az is példáz, hogy a témához kapcsolódóan hetente kb. tíz cikk jelenik meg az arXiv-preprintszerveren.

A terület fejlődéséhez kollégáimmal az ún. Néel-típusú skyrmionok tömbi anyagokban történő megfigyelésével járultunk hozzá (Kézsmárki et al., 2015; Bordács et al., 2017; Butykai et al., 2017; Geirhos et al., 2020; Butykai et al., 2022). Bár a korai térelméleti munkák is jelezték már, hogy mágneses skyrmionok nemcsak királis mágnesekben jelenhetnek meg, hanem más, térbeli tükrözési (inverziós) szimmetriát sértő anyagokban is, 2015-ig csak az 1. ábra bal oldalán látható, örvénylő mintázatot mutató, ún. Bloch-típusú skyrmion volt ismert kristályos anyagokban. Szimmetriamegfontolásokból tudható, hogy a kiralitás mellett az elektromos polarizáció is lehetővé teheti a skyrmionok megjelenését. Kézsmárki Istvánnal, valamint nemzetközi kutatótársakkal közösen publikált munkánkban egy olyan multiferroikus anyagot – egyszerre ferroelektromos és mágneses rendeződést is mutató vegyületet – vizsgáltunk, amely gyenge mágneses térben több mágneses fázisátalakulást mutat (Kézsmárki et al., 2015). SANS-kísérleteket végezve megmutattuk, hogy kb. 18 nm periodicitású térben modulált mágneses állapotok váltják egymást, ha a hőmérsékletet vagy a mágneses teret változtatjuk. A mágnesezettség térbeli változására érzékeny atomerő-mikroszkóp (AFM), mágneseserő-mikroszkóp (MFM) segítségével valós térben is sikerült a spinspirál és a mágneses skyrmionrács állapotokat detektálnunk, így megmutattuk, hogy a tömbi multiferroikus anyagokban az 1. ábra jobb oldalán látható sündisznószerű, Néel-típusú skyrmion stabil. További kísérleteinkben megfigyeltük, hogy a ferroelektromos és a mágneses rend nem független egymástól. A ferroelektromosság miatt a minták hajlamosak réteges szerkezetű strukturális doménekre darabolódni, amelyek határain a tömbi állapottól eltérő mágneses szerkezetek jelennek meg. Továbbá megfigyeltük, hogy a mágnesség és a polarizáció ingadozásai is erősen csatolódnak, azaz a spinek kitérései megrezgetik a kristályrácsot is, ami elektromos és mágneses terekkel vezérelhető mikrohullámú elnyeléshez vezet.

A fentebb említett témák mellett a mágneses skyrmionok kutatását választó (fiatal) kutatókat számos izgalmas kérdés várja. Például, létezhetnek ún. antiskyrmionok is. Ha egy skyrmion kerületén körbemegyünk, a spin a körüljárással azonos irányban csavarodik, míg antiskyrmionokban azzal ellentétesen. Az elmúlt néhány év kutatásai megmutatták, hogy ezt a spinszerkezetet is lehetséges stabilizálni, azonban ennek tulajdonságai ma még kevéssé ismertek. Egy másik aktívan vizsgált kérdéskör a csavarodó mintázatok és skyrmionok megjelenésének felderítése antiferromágnesekben, ahol a szomszédos spinek egymással ellentétes irányban állnak. Elméleti számítások szerint itt a skyrmionok gyorsabban és egyenes vonal mentén haladhatnak, azonban kísérleti megfigyelésük jelenleg csak antiferromágnesesen csatolt vékonyrétegekre korlátozódik. Más elméleti munkák azt jósolják, hogy ha különböző Heisenberg-kölcsönhatások egymással versengve stabilizálnak mágneses skyrmionokat, akkor azok mind Bloch-, mind pedig Néel-típusúak lehetnek. Ezen munkák felvetik, hogy elektromos és mágneses mező segítségével skyrmionokat lehet írni és törölni, illetve a különböző típusokat egymásba alakítani. A skyrmionok kutatásába bekapcsolódóknak, illetve a fizikai részletek iránt érdeklődőknek ajánlom Rózsa Levente és Palotás Krisztián kiváló írását (Rózsa–Palotás, 2023).