Solitära vågor och dispersiv strömningsdynamik på nanonivå för nästa generations lagring och logiska tillämpningar

Forskningsprojekt, 2015 – 2017

Den nuvarande teknologiska utvecklingen kännetecknas av en imponerande miniatyrisering som ger oss alltmer kraftfulla datorer, telefoner, och läsplattor med behändigare storlekar och längre batteritider. Den här utvecklingen har varit möjlig tack vare mönstring och tillverkningstekniker på nanonivå samt helt nya teknologiska lösningar. Mitt eget område, nanomagetism och spinntronik, har här spelat en avgörande roll eftersom den tillåtit oss att spara alltmer digital information på allt mindre yta. Extremt informationskrävande tjänster som Facebook och Google hade helt enkelt inte varit möjliga utan nanomagnetism. Digital informationen sparas i form av *bitar*, dvs binära element representerade av *1* eller *0*. I hårddiskar är dessa element definierade av nanomagneters magnetiseringsriktning. Nanomagetism och spinntronik har framför allt bidragit med att skapa magnetiska nanosensorer som gjort det möjligt att läsa dessa allt mindre magnetiska bitar. Idag närmare vi oss dock denna befintliga tekniks gräns och nya lösningar måste tas fram. För att kunna fortsätta utveckla teknologin måste man hitta nya sorters bitar med samma enastående stabilitet som de magnetiska, vilka idag garanterar oss att lagra informationen i mer än hundra år. Man kan också tänka sig helt nya paradigm där både lagring och beräkning utförs av samma element. Det skulle göra våra enheter ännu kraftfullare och snabbare. Spinntronikforskningen har till en del varit inriktad på detta mål under det senaste decenniet och idag har vi den experimentella möjligheten att realisera komponenter som bygger på helt ny fysik och nya fenomen. Det finns en sorts objekt, s.k. solitoner, som är särskilt stabila. Solitoner kan beskrivas som vågor som behåller sin form och hastighet under sin färd genom ett material. De observerades först i smala kanaler med grunt vatten och är väl beskrivna inom strömningsdynamik. I magnetiska material kan man också hitta solitoner, och de allra senaste exemplen som dissipativa nanodroppar och nano-skyrmioner har fått särskilt stor uppmärksamhet eftersom de är potentiellt tillämpbara i nästa generations magnetiska lagrings- och beräkningsteknologier. Trots det, saknas fortfarande grundläggande kunskaper för att förstå deras fundamental egenskaper och framför allt förutsäga hur väl de kan komma att fungera i kommersiella tillämpningar. Huvudsyftet med detta projekt är därför att studera solitära vågor i nanomagneter från ett analytiskt och numeriskt perspektiv för att fastställa deras existens, funktionella form, och grundläggande egenskaper i realiserbara material. I ett första skede kommer projektet att fokusera på effekterna ett materials tjocklek har på dissipativa droppar och skyrmioner. Tjockleksområdet sträcker sig från flera nanometer ner till några atomer. Resultatet av denna forskning kommer att kunna tolka experimentella resultat och förutsäga kända och eventuella hittills okända former av solitära vågor. I ett andra steg är projektets syfte att försöka knyta an nanomagnetismen till strömningsdynamik, där enstaka vågor först observerades. Framförallt kommer denna forskning att försöka sammanlänka en strömningsdynamik representation av de magnetiska solitonerna med den pågående världsledande forskningen på ultra-kalla atomer. Ett sådant tvärvetenskapligt synsätt har inte tidigare prövats och kan komma att leda till betydande framsteg inom den grundläggande förståelsen av solitära vågor inom nanomagnetism, i synnerhet vad gäller möjligheten att förutsäga nya magnetiska nano-objekt som sedan kan bekräftas experimentellt och användas i tillämpningar.