Dynamiska fenomen hos magnetiska material

Huvudsökande: Olle Eriksson, avdelningen för materialteori
Medsökande: Erik Sjöqvist, avdelningen för materialteori och Anna Delin, KTH och avdelningen för materialteori
Projekttitel: Dynamiska fenomen hos magnetiska material
Beviljade medel: 22 200 000 kronor under fem år
Finansiär: Projektanslag från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse

Från medeltidens kompassnålar till elnätens transformatorstationer har magnetiska material spelat en avgörande roll för mänsklighetens och samhällets utveckling under lång tid. Idag utgör dessa magnetiska material en grundpelare i det informationssamhälle vi lever i. Mängden lagrad information världen över fördubblas var artonde månad och en klar majoritet av all denna information sparas i magnetiska lagringsmedia. För att tillgodose behovet av lagring av allt större mängd data och snabbare informationsbehandling krävs en förbättring av befintlig teknik, men även utveckling av nya, hitintills oprövade teknologier.

Med det här KAW-projektet vill vi använda ledande teoretiska metoder, för att dels adressera ännu obesvarade grundläggande frågeställningar om dynamiken i magnetiska material, och dels undersöka hur nya subtila magnetiska fenomen kan bilda grunden för framtida tillämpningar inom informationsteknologi.

Magnetiska material kan påvisa kollektiva, men partikelliknande magnetiseringsvirvlar, så kallade ’skyrmioner’ och ’meroner’. Dessa virvelliknande strukturer har topologiska egenskaper som leder till en hög stabilitet mot störningar men är samtidigt lätta att manipulera med pålagda strömmar. Därför är skyrmioner starka kandidater för framtida datalagringstillämpningar. Vi kommer här kombinera våra beräkningsmetoder med maskininlärningsrutiner för att söka efter magnetiska material som är optimala för att härbärgera skyrmion- och merontillstånd. Vi kommer här speciellt undersöka meron-baserade system, som kan bete sig periodiskt över tid trots att de inte drivs av en periodisk stimulus. Ett system som uppvisar en sådan periodicitet kallas för en tidskristall, i analogi med hur periodiciteten i material ger upphov till rumsliga kristallstrukturer. Tidskristaller och andra rena kvantmekaniska effekter kan hitta tillämpningar för exakta atomur, men också för kommunikationsprotokoll och metoder för effektiva kvantdatorer. En central del för dessa tillämpningar är att kunna skapa och manipulera kvantsammanflätningar som kan uppkomma i kvantmekaniska mångkropparssystem. Här kommer vi undersöka om kvantiserade magnetiska excitationer, magnoner, kan sammanflätas och därmed bilda en ny sorts byggsten för kvantdatorer och kvantkommunikation.

En viktig del i arbetet är också att utveckla kvantmekaniska beräknings- och simuleringsmetoder anpassade till magnetiska material. Metoderna kommer generaliseras så att effekten av kristallvibrationer tas med vid simulering av de magnetiska egenskaperna. Med de nya metoderna kommer vi undersöka bland annat den fundamentala kopplingen av materialets struktur och dess magnetiska respons vid ultrasnabba processer, dvs. förlopp som sker på en tidsskala av femtosekunder.