Il materiale su misura rende gli skyrmion più veloci – Physics World

Gli Skyrmion – quasiparticelle con una struttura simile a un vortice – possono essere fatti diffondere più di 10 volte più velocemente del loro tasso di deriva naturale in materiali appositamente progettati sviluppati da ricercatori in Germania e Giappone. Questo movimento più rapido potrebbe tornare utile per nuove forme di calcolo che funzionano utilizzando processi casuali (stocastici) come il movimento browniano delle particelle.

Gli Skyrmion sono costituiti da numerosi spin elettronici e possono essere pensati come vortici bidimensionali (o “trame di spin”) all’interno di un materiale. Esistono in molti materiali magnetici, inclusi i film sottili di cobalto-ferro-silicio e i film sottili di manganese-siliciuro in cui sono stati scoperti per la prima volta. Oltre ad essere interessanti per la fisica fondamentale della materia condensata, gli skyrmion hanno attirato notevole attenzione negli ultimi anni come possibile base per le future tecnologie dei dischi rigidi.

Gli attuali dischi rigidi memorizzano le informazioni in domini magnetici, ovvero aree in cui tutti gli spin magnetici sono allineati nella stessa direzione. Esistono restrizioni fondamentali su quanto piccoli possono essere questi domini, il che limita le capacità di archiviazione. Gli Skyrmion, al contrario, misurano solo decine di nanometri e potrebbero quindi essere utilizzati per creare dispositivi di archiviazione con densità molto più elevate. Un ulteriore vantaggio è che mentre invertire tutti gli spin nei domini convenzionali – per cambiare lo stato di memoria di un dispositivo da 1 a 0, ad esempio – richiede una notevole quantità di energia e può essere lento, uno switch basato su Skyrmion richiederebbe molti meno spin flip. . Inoltre, lo stato di spin finale in un tale sistema sarebbe robusto contro le perturbazioni esterne, rendendo le strutture skyrmion più stabili dei domini magnetici convenzionali.

Dinamica stocastica per computer ad alta efficienza energetica

Gli Skyrmion possono essere fatti muovere applicando una piccola corrente elettrica esterna a una pellicola magnetica sottile, ma si muovono anche in modo naturale e casuale, grazie alla diffusione. Tali dinamiche stocastiche hanno suscitato molto interesse di recente perché potrebbero essere sfruttate per realizzare computer ad alta efficienza energetica, afferma Takaaki Dohi, un ricercatore di spintronica presso il Università di Tohuku che ha guidato lo sviluppo dei nuovi materiali.

Dohi osserva che le distinte proprietà topologiche degli skyrmion magnetici danno origine a una versione speciale della forza Magnus, che solleva gli oggetti rotanti mentre si muovono attraverso un fluido. La forza girotropica, come è noto, fa muovere gli skyrmion ferromagnetici in circolo anziché lungo linee rette. Questo movimento circolare riduce drasticamente il movimento diffusivo degli skrymioni rispetto a quello delle normali particelle browniane, che (come esposto da Albert Einstein nel suo fondamentale studio del moto browniano del 1905) mostrano una relazione inversa tra l'attrito delle particelle e il coefficiente di diffusione.

È importante sottolineare, però, che la direzione del movimento circolare degli skyrmion (in senso orario o antiorario) dipende da una proprietà nota come carica topologica, che è correlata al numero di avvolgimenti delle loro strutture simili a vortici. Ciò significa che se due skyrmion con numero di avvolgimento opposto possono essere accoppiati insieme, le loro rispettive forze girotropiche si annulleranno e il loro movimento diffusivo aumenterà. Un computer basato su questo tipo di skyrmion “compensati girotropicamente” sarebbe quindi più veloce e consumerebbe meno energia.

Aumentata la diffusione degli skyrmion

Dohi e colleghi del Università Johannes Gutenberg a Magonza e il Università di Costanza hanno ora dimostrato questo tipo di compensazione basata sull'accoppiamento in pile di materiali multistrato. Ogni pila è composta da due singoli strati ferromagnetici realizzati in cobalto-ferro-boro separati da un distanziatore di iridio. Controllando lo spessore di questa struttura, i ricercatori hanno potuto adattare il segno e la forza dell'accoppiamento di scambio antiferromagnetico tra gli strati. Variando lo spessore dei singoli strati ferromagnetici, potrebbero controllare la rotazione della rete. “In questo modo possiamo sintonizzare le due forze girotropiche concorrenti per ottenere una compensazione”, afferma Dohi. “Per una compensazione del 90%, ad esempio, troviamo che il coefficiente di diffusione aumenta di oltre un fattore 10 rispetto a uno skyrmion ferromagnetico”.

Nel loro studio, che descrivono in Nature Communications, i ricercatori hanno studiato i movimenti degli skyrmioni utilizzando l'effetto Kerr magneto-ottico (MOKE), che rileva la magnetizzazione netta di entrambi gli strati ferromagnetici. Non sono stati quindi in grado di esplorare il limite della compensazione del 100%, per il quale la loro teoria prevede un aumento della diffusione ancora maggiore. "Ecco perché stiamo esaminando altri mezzi (elettrici o ottici) che potrebbero permetterci di arrivare a questo limite", dice Dohi. “Ad esempio, una giunzione tunnel magnetica posta nella parte superiore di un ferromagnetico sintetico potrebbe risolvere questo problema”.

Il movimento di un singolo skyrmion è controllato a temperatura ambiente

Anche se gli skyrmion presenti negli antiferromagneti presenti in natura dovrebbero diffondersi più velocemente delle loro controparti ferromagnetiche, gli esperimenti condotti fino ad oggi hanno scoperto che soffrono di un forte “pinning”, che ne rallenta il movimento. "Il nostro risultato mostra che gli antiferromagneti sintetici sono migliori in questo senso poiché combinano i vantaggi del basso pinning dei ferromagneti e la dinamica veloce degli antiferromagneti", dice Dohi Mondo della fisica.

I ricercatori stanno anche esplorando modi per ridurre la dimensione degli skyrmion negli antiferromagneti sintetici e per ridurne ulteriormente il bloccaggio. «Entrambi questi aspetti sono cruciali per la scalabilità e l’efficienza energetica di possibili futuri dispositivi che sfruttano queste quasiparticelle», conclude.

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