El material hecho a medida hace skyrmions más rápidos – Physics World

Se puede hacer que los Skyrmions (cuasipartículas con una estructura similar a un vórtice) se difundan más de 10 veces más rápido que su velocidad de deriva natural en materiales especialmente diseñados y desarrollados por investigadores en Alemania y Japón. Este movimiento más rápido podría resultar útil para nuevas formas de computación que funcionan mediante procesos aleatorios (estocásticos) como el movimiento browniano de partículas.

Los Skyrmions están formados por numerosos espines de electrones y pueden considerarse como remolinos bidimensionales (o “texturas de espín”) dentro de un material. Existen en muchos materiales magnéticos, incluidas las películas delgadas de cobalto, hierro y silicio y manganeso-siliciuro en las que se descubrieron por primera vez. Además de ser de interés para la física fundamental de la materia condensada, los skyrmions han atraído considerable atención en los últimos años como posible base para futuras tecnologías de disco duro.

Los discos duros actuales almacenan información en dominios magnéticos, que son áreas donde todos los espines magnéticos están alineados en la misma dirección. Existen restricciones fundamentales sobre el tamaño de estos dominios, lo que limita las capacidades de almacenamiento. Los Skyrmions, por el contrario, miden sólo decenas de nanómetros de ancho y, por lo tanto, podrían usarse para crear dispositivos de almacenamiento con densidades mucho más altas. Una ventaja adicional es que, mientras que invertir todos los giros en dominios convencionales (para cambiar el estado de la memoria de un dispositivo de 1 a 0, por ejemplo) requiere una cantidad considerable de energía y puede ser lento, un cambio basado en Skyrmion requeriría muchos menos giros. . Además, el estado de espín final en dicho sistema sería robusto frente a perturbaciones externas, lo que haría que las estructuras de skyrmion sean más estables que los dominios magnéticos convencionales.

Dinámica estocástica para computadoras de alta eficiencia energética

Se puede hacer que los Skyrmions se muevan aplicando una pequeña corriente eléctrica externa a una película delgada magnética, pero también se mueven de forma natural y aleatoria, gracias a la difusión. Estas dinámicas estocásticas han atraído mucho interés recientemente porque podrían aprovecharse para fabricar computadoras con alta eficiencia energética, afirma. Takaaki Dohi, investigador de espintrónica en el Universidad de Tohuku quien dirigió el desarrollo de los nuevos materiales.

Dohi señala que las distintas propiedades topológicas de los skyrmions magnéticos dan lugar a una versión especial de la fuerza de Magnus, que levanta objetos que giran a medida que se mueven a través de un fluido. La fuerza girotrópica, como se la conoce, hace que los skyrmiones ferromagnéticos se muevan en círculos en lugar de en línea recta. Este movimiento circular reduce drásticamente el movimiento de difusión de los skrymions en comparación con el de las partículas brownianas normales, que (como lo estableció Albert Einstein en su histórico estudio de 1905 sobre el movimiento browniano) exhiben una relación inversa entre la fricción de las partículas y el coeficiente de difusión.

Sin embargo, es importante destacar que la dirección del movimiento circular de los skyrmions (en sentido horario o antihorario) depende de una propiedad conocida como carga topológica, que se relaciona con el número de vueltas de sus estructuras en forma de remolino. Esto significa que si se pueden acoplar dos skyrmions con números de devanado opuestos, sus respectivas fuerzas girotrópicas se cancelarán y su movimiento de difusión aumentará. Un ordenador basado en este tipo de skyrmions “girotrópicamente compensados” sería, por tanto, más rápido y consumiría menos energía.

Mayor difusión de skyrmion

Dohi y colegas del Universidad Johannes Gutenberg en Maguncia y el Universidad de Constanza Ahora han demostrado este tipo de compensación basada en acoplamiento en pilas de materiales multicapa. Cada pila se compone de dos capas ferromagnéticas individuales hechas de cobalto, hierro y boro que están separadas por un espaciador de iridio. Al controlar el grosor de esta estructura, los investigadores pudieron adaptar el signo y la fuerza del acoplamiento de intercambio antiferromagnético entre las capas. Al variar el espesor de las capas ferromagnéticas individuales, pudieron controlar el giro neto. "De esta manera podemos ajustar las dos fuerzas girotrópicas en competencia para compensarlas", dice Dohi. "Para una compensación del 90%, por ejemplo, encontramos que el coeficiente de difusión aumenta en más de un factor de 10 en comparación con un skyrmion ferromagnético".

En su estudio, que describen en Nature CommunicationsLos investigadores estudiaron los movimientos de los skyrmions utilizando el efecto Kerr magnetoóptico (MOKE), que detecta la magnetización neta de ambas capas ferromagnéticas. Por lo tanto, no pudieron explorar el límite de compensación del 100%, para el cual su teoría predice un aumento aún mayor en la difusión. "Por eso estamos estudiando otros medios (eléctricos u ópticos) que podrían permitirnos llegar a este límite", afirma Dohi. "Por ejemplo, una unión de túnel magnético colocada en la parte superior de un material ferromagnético sintético podría resolver este problema".

El movimiento de un solo skyrmion se controla a temperatura ambiente.

Si bien los skyrmions en los antiferroimanes naturales también deberían difundirse más rápido que sus homólogos ferromagnéticos, los experimentos hasta la fecha han descubierto que sufren de una fuerte "fijación", que ralentiza su movimiento. "Nuestro resultado muestra que los antiferroimanes sintéticos son mejores en este sentido, ya que combinan las ventajas de la baja fijación de los ferroimanes y la rápida dinámica de los antiferroimanes", dice Dohi. Mundo de la física.

Los investigadores también están explorando formas de disminuir el tamaño de los skyrmions en los antiferromagnetos sintéticos, así como de reducir aún más su fijación. "Ambos aspectos son cruciales para la escalabilidad y la eficiencia energética de posibles dispositivos futuros que exploten estas cuasipartículas", concluye.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/tailored-material-makes-speedier-skyrmions/