Los científicos de EPFL han producido skyrmions estables controlables utilizando pulsos de láser, dando un paso hacia dispositivos de memoria significativamente más eficientes desde el punto de vista energético. El trabajo está publicado en Cartas de revisión física .

Un skyrmion es una colección de espines de electrones que parecen un vórtice en ciertos materiales magnéticos. Los Skyrmions pueden existir individualmente o en patrones denominados celosías. Nombrado en honor al físico británico Tony Skyrme, quien teorizó por primera vez la existencia de sus contrapartes de partículas elementales en 1962, Los skyrmions han atraído la atención por su potencial para ser utilizados en los llamados dispositivos "espintrónicos", que usaría el espín en lugar de la carga de electrones, volviéndose así significativamente más miniaturizados y energéticamente eficientes.

El mayor interés se ha centrado en las tecnologías de almacenamiento de memoria. Los Skyrmions pueden ser bastante estables y requieren muy poca energía para escribirlos o borrarlos:algunos estudios han demostrado que crear y aniquilar skyrmions podría ser casi 10, 000 veces más eficientes energéticamente que los dispositivos de almacenamiento de datos convencionales. Sin embargo, esto requeriría una forma rápida y confiable de controlar y manipular skyrmions individuales.

Ahora, los laboratorios de Fabrizio Carbone y Henrik M. Rønnow en EPFL han podido escribir y borrar skyrmions estables usando pulsos láser. Los científicos utilizaron una aleación de hierro-germanio, que puede albergar skyrmions en torno a 0oC, no muy lejos de la temperatura ambiente. Esto es importante en sí mismo, ya que muchos de estos experimentos fundamentales suelen tener lugar a temperaturas demasiado bajas para ser comercialmente significativas.

Los investigadores aprovecharon el efecto de súper enfriamiento que sigue a un salto de temperatura ultrarrápido, que a su vez es inducida en la aleación por un pulso láser ultracorto. Durante el sobreenfriamiento, Los skyrmions pueden congelarse en lugares donde no ocurrirían en condiciones de equilibrio convencionales.

Se obtuvieron imágenes de los skyrmions en formación utilizando microscopía electrónica de Lorentz criogénica de resolución temporal, que puede "ver" estructuras de dominio magnético y mecanismos de inversión de magnetización en el espacio real y en tiempo real. Esta técnica es una evolución de la microscopía crioelectrónica estática, por lo que Jacques Dubochet ganó el Premio Nobel de Química en 2017.

"Lo que hicimos fue aplicar un pulso láser a la aleación mientras se mantenía a una temperatura y un campo magnético externo que normalmente prohíbe la aparición de skyrmions, "Dice Fabrizio Carbone." Se vio que los skyrmions individuales aparecían cerca de los bordes de la muestra en cada destello de luz. Es más, una vez que se establecieron los skyrmions, ajustando los parámetros en las proximidades de la transición entre tener los skyrmions y no tenerlos más, se pueden utilizar pulsos de láser para borrarlos mediante la desmagnetización inducida por el calentamiento local ".

Los investigadores pudieron escribir y borrar skyrmions en la aleación en unos pocos cientos de nanosegundos a unos pocos microsegundos. Sin embargo, Los resultados también sugieren rutas para diseñar las tasas de súper enfriamiento para un control más rápido de los skyrmions, hasta picosegundos.

"Las barreras de energía para manipular skyrmions pueden ser muy pequeñas, "dice Carbone." Esto significa que, si se trataba de un dispositivo de almacenamiento de memoria, el consumo de energía estimado por nuestros experimentos, en el que las propiedades de la luz aún no se han adaptado para optimizar este parámetro, está en la región de femto-Joules (cuadrillonésimas de Joule) por bit, ya comparable a los prototipos más eficientes energéticamente disponibles ".

A pesar de ser un estudio de prueba de principio, los investigadores no pudieron resistirse a pensar en términos de aplicaciones. "De hecho, calculamos la energía que requiere, sin ninguna optimización en nuestro experimento, "dice Carbone." Y descubrimos que ya está al nivel del dispositivo de almacenamiento de datos que consume menos energía hasta la fecha. Si se implementa en dispositivos, esto significaría algo así como la duración de la batería de su computadora portátil durante aproximadamente un mes antes de tener que cargarla ".