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    La danza sincronizada de skyrmion gira

    La configuración de giros en un Néel skyrmion. Crédito:Zhang et al.

    En años recientes, la excitación se ha arremolinado alrededor de un tipo de cuasi-partícula llamada skyrmion que surge como un comportamiento colectivo de un grupo de electrones. Porque son estables solo unos pocos nanómetros de tamaño, y solo necesitan pequeñas corrientes eléctricas para transportarlos, Los skyrmions tienen potencial como base para dispositivos de procesamiento y almacenamiento de información ultracompactos y energéticamente eficientes en el futuro.

    Ahora, un grupo de investigación en Singapur ha utilizado simulaciones por computadora para investigar más a fondo el comportamiento de los skyrmions, obtener información que pueda ayudar a los científicos e ingenieros a estudiar mejor las cuasi partículas en los experimentos. Los nuevos resultados, publicado esta semana en Anticipos de AIP , también podría conducir a dispositivos basados ​​en skyrmion como nano-osciladores de microondas, utilizado en una variedad de aplicaciones, incluida la comunicación inalámbrica, sistemas de imágenes, radar y GPS.

    "Sus atributos únicos, por ejemplo, teóricamente podría habilitar portátiles con discos duros del tamaño de un maní, y sin embargo consume poca energía, ", dijo Meng Hau Kuok de la Universidad Nacional de Singapur y uno de los autores del trabajo.

    Observado en 2009, Los skyrmions surgen del comportamiento colectivo de electrones en materiales magnéticos bajo ciertas condiciones. Debido a sus giros, los electrones actúan como pequeños imanes donde sus polos magnéticos se alinean con sus espines. Un fenómeno llamado interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), que ocurre en la interfaz entre una capa magnética y un metal no magnético, inclina los giros y los organiza en patrones circulares. Estos arreglos circulares de giros, que se comportan colectivamente como partículas, son skyrmions.

    Aunque los investigadores han estudiado cómo se comportan los grupos de skyrmions, poco se sabe sobre sus comportamientos internos, Dijo Kuok. En particular, los físicos no comprenden completamente los tres modos fundamentales de las partículas, que son análogos a los modos vibratorios fundamentales de una cuerda de guitarra correspondientes a diferentes notas musicales. Como esas notas, cada modo skyrmion está asociado con una determinada frecuencia.

    "Los modos se pueden considerar como patrones circulares de giros que bailan en sincronía, "Dijo Kuok. Comprender los modos es esencial para saber cómo se comportarían las partículas.

    En uno de los modos, llamado el modo de respiración, el patrón de giros se expande y contrae alternativamente. En los otros dos modos, la disposición circular de los giros gira en sentido horario y antihorario, respectivamente.

    Los investigadores se centraron en un tipo de skyrmion llamado Néel skyrmion, que existe en películas ultrafinas depositadas sobre metales con un fuerte DMI. Usando una computadora, simularon cómo el DMI y los campos magnéticos externos de diferentes intensidades afectaban los modos y propiedades de las partículas. Descubrieron que dada la misma fuerza de DMI, y si en la fase cristalina, las frecuencias correspondientes a cada modo dependen de forma diferente de la intensidad del campo magnético.

    El aumento del campo magnético también induce a los skyrmions a cambiar de fase entre sí, desde estar dispuestos en matrices ordenadas como un cristal a distribuidos aleatoriamente y aislados. Los investigadores encontraron que los tres modos responden de manera diferente a esta transición de fase.

    Asombrosamente, Kuok dijo:los tres modos pueden existir en la fase cristalina, mientras que el modo de rotación en sentido horario no existe en la fase aislada. Una razón, las simulaciones reveladas, Podría ser que los skyrmions estén más separados en la fase aislada que en la fase cristalina. Si los skyrmions están demasiado separados, entonces no pueden interactuar. Esta interacción puede ser necesaria para el modo de rotación en el sentido de las agujas del reloj, Dijo Kuok.

    Debido a que las frecuencias modales de los skyrmions están en el rango de microondas, las cuasi-partículas podrían usarse para nuevos nano-osciladores de microondas, que son bloques de construcción importantes para los circuitos integrados de microondas.

    Un nano-oscilador de microondas basado en skyrmions podría operar en tres frecuencias resonantes, correspondiente a los tres modos. Un campo magnético creciente reduciría las frecuencias de resonancia de la respiración y los modos de rotación en el sentido de las agujas del reloj a diferentes velocidades, pero aumente la frecuencia de resonancia del modo de rotación en sentido antihorario. Tal dispositivo basado en skyrmion sería más compacto, estable, y requieren menos energía que las convencionales, nano-osciladores basados ​​en electrones.

    Pero antes de que los skyrmions encuentren su camino hacia los dispositivos, los investigadores todavía necesitan diseñar sus propiedades específicas deseadas, como el tamaño, y sintonizar con precisión sus propiedades dinámicas. "Nuestros hallazgos podrían proporcionar conocimientos teóricos para abordar estos desafíos, "Dijo Kuok.

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