Para muchas aplicaciones técnicas modernas, como cables superconductores para imágenes de resonancia magnética, Los ingenieros quieren tanto como sea posible deshacerse de la resistencia eléctrica y la producción de calor que la acompaña.

Resulta, sin embargo, que un poco de producción de calor a partir de la resistencia es una característica deseable en películas delgadas metálicas para aplicaciones espintrónicas como la memoria de computadora de estado sólido. Similar, mientras que los defectos son a menudo indeseables en la ciencia de los materiales, se pueden utilizar para controlar la creación de cuasi-partículas magnéticas conocidas como skyrmions.

En artículos separados publicados este mes en las revistas Nanotecnología de la naturaleza y Materiales avanzados , investigadores del grupo del profesor del MIT Geoffrey S.D. Beach y colegas en California, Alemania, Suiza, y Corea, demostraron que pueden generar skyrmions estables y de rápido movimiento en materiales estratificados especialmente formulados a temperatura ambiente, estableciendo récords mundiales de tamaño y velocidad. Cada artículo apareció en la portada de su respectiva revista.

Para la investigación publicada en Materiales avanzados , los investigadores crearon un cable que apila 15 capas repetidas de una aleación de metal fabricada especialmente hecha de platino, que es un metal pesado, cobalto-hierro-boro, que es un material magnético, y magnesio-oxígeno. En estos materiales en capas, la interfaz entre la capa de metal de platino y cobalto-hierro-boro crea un entorno en el que se pueden formar skyrmions aplicando un campo magnético externo perpendicular a la película y pulsos de corriente eléctrica que viajan a lo largo del cable.

Notablemente, bajo un campo de 20 miliTeslas, una medida de la intensidad del campo magnético, el alambre forma skyrmions a temperatura ambiente. A temperaturas superiores a 349 kelvin (168 grados Fahrenheit), los skyrmions se forman sin un campo magnético externo, un efecto causado por el calentamiento del material, y los skyrmions permanecen estables incluso después de que el material se enfría de nuevo a temperatura ambiente. Previamente, resultados como este se habían visto solo a baja temperatura y con grandes campos magnéticos aplicados, Beach dice.

Estructura predecible

"Después de desarrollar una serie de herramientas teóricas, ahora no solo podemos predecir la estructura y el tamaño internos del skyrmion, pero también podemos hacer un problema de ingeniería inversa, podemos decir, por ejemplo, queremos tener un skyrmion de ese tamaño, y podremos generar la multicapa, o el material, parámetros, que llevaría al tamaño de ese skyrmion, "dice Ivan Lemesh, primer autor del artículo de Materiales Avanzados y estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales en el MIT. Los coautores incluyen al autor principal Beach y otros 17.

Una característica fundamental de los electrones es su espín, que apunta hacia arriba o hacia abajo. Un skyrmion es un grupo circular de electrones cuyos espines son opuestos a la orientación de los electrones circundantes, y los skyrmions mantienen una dirección en sentido horario o antihorario.

"Sin embargo, encima de eso, También hemos descubierto que los skyrmions en multicapas magnéticas desarrollan una compleja naturaleza retorcida dependiente del espesor, ", Dijo Lemesh durante una presentación sobre su trabajo en la reunión de otoño de la Materials Research Society (MRS) en Boston el 30 de noviembre. Esos hallazgos se publicaron en un estudio teórico separado en Revisión física B en septiembre.

La investigación actual muestra que, si bien esta estructura retorcida de skyrmions tiene un impacto menor en la capacidad de calcular el tamaño promedio del skyrmion, afecta significativamente su comportamiento inducido por la corriente.

Límites fundamentales

Para el artículo en Nature Nanotechnology, los investigadores estudiaron un material magnético diferente, capas de platino con una capa magnética de una aleación de cobalto de gadolinio, y óxido de tantalio. En este material, los investigadores demostraron que podían producir skyrmions tan pequeños como 10 nanómetros y establecieron que podían moverse a gran velocidad en el material.

"Lo que descubrimos en este artículo es que los ferromagnetos tienen límites fundamentales para el tamaño de las cuasi-partículas que puede producir y la rapidez con la que puede impulsarlas usando corrientes, "dice el primer autor Lucas Caretta, estudiante de posgrado en ciencia e ingeniería de materiales.

En un ferromagnet, como cobalto-hierro-boro, los espines vecinos se alinean en paralelo entre sí y desarrollan un fuerte momento magnético direccional. Para superar los límites fundamentales de los ferroimanes, los investigadores recurrieron al gadolinio-cobalto, que es un ferrimagnet, en el que los giros vecinos se alternan hacia arriba y hacia abajo para que puedan anularse entre sí y dar como resultado un momento magnético total cero.

"Se puede diseñar un ferrimagnético de modo que la magnetización neta sea cero, permitiendo texturas de giro ultrapequeñas, o ajústelo de modo que el momento angular neto sea cero, permitiendo texturas de centrifugado ultrarrápidas. Estas propiedades pueden diseñarse según la composición del material o la temperatura, "Explica Caretta.

En 2017, Los investigadores del grupo de Beach y sus colaboradores demostraron experimentalmente que podían crear estas cuasi-partículas a voluntad en lugares específicos introduciendo un tipo particular de defecto en la capa magnética.

"Puede cambiar las propiedades de un material mediante el uso de diferentes técnicas locales, como el bombardeo de iones, por ejemplo, y al hacer eso cambias sus propiedades magnéticas, "Lemesh dice, "y luego, si inyecta una corriente en el cable, el skyrmion nacerá en ese lugar ".

Caretta agrega:"Se descubrió originalmente con defectos naturales en el material, luego se convirtieron en defectos de ingeniería a través de la geometría del alambre ".

Utilizaron este método para crear skyrmions en el nuevo artículo de Nature Nanotechnology.

Los investigadores tomaron imágenes de los skyrmions en la mezcla de cobalto-gadolinio a temperatura ambiente en centros de sincrotrón en Alemania. utilizando holografía de rayos X. Felix Büttner, un postdoctorado en el laboratorio de Beach, fue uno de los desarrolladores de esta técnica de holografía de rayos X. "Es una de las únicas técnicas que pueden permitir imágenes con una resolución tan alta en la que se distinguen skyrmions de este tamaño, "Dice Caretta.

Estos skyrmions son tan pequeños como 10 nanómetros, que es el récord mundial actual de skyrmions a temperatura ambiente. Los investigadores demostraron un movimiento de pared de dominio impulsado por la corriente de 1,3 kilómetros por segundo, utilizando un mecanismo que también se puede utilizar para mover skyrmions, que también establece un nuevo récord mundial.

Excepto por el trabajo del sincrotrón, toda la investigación se realizó en el MIT. "Cultivamos los materiales, hacer la fabricación y caracterizar los materiales aquí en el MIT, "Dice Caretta.

Modelado magnético

Estos skyrmions son un tipo de configuración de espín de espines de electrones en estos materiales, mientras que los muros de dominio son otro. Las paredes de dominio son el límite entre los dominios de orientación de espín opuesta. En el campo de la espintrónica, estas configuraciones se conocen como solitones, o girar texturas. Dado que los skyrmions son una propiedad fundamental de los materiales, La caracterización matemática de su energía de formación y movimiento implica un conjunto complejo de ecuaciones que incorporan su tamaño circular, girar el momento angular, momento angular orbital, carga electrónica, fuerza magnética, grosor de la capa, y varios términos físicos especiales que capturan la energía de las interacciones entre los espines vecinos y las capas vecinas, como la interacción de intercambio.

Una de estas interacciones, que se llama la interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), es de especial importancia para la formación de skyrmions y surge de la interacción entre los electrones en la capa de platino y la capa magnética. En la interacción Dzyaloshinskii-Moriya, los giros se alinean perpendiculares entre sí, que estabiliza el skyrmion, Dice Lemesh. La interacción DMI permite que estos skyrmions sean topológicos, dando lugar a fascinantes fenómenos físicos, haciéndolos estables, y permitir que se muevan con una corriente.

"El platino en sí es lo que proporciona lo que se llama una corriente de espín, que es lo que impulsa las texturas de espín en movimiento, "Dice Caretta." La corriente de giro proporciona un par en la magnetización del ferro o ferrimagnet adyacente a él, y este par es lo que finalmente causa el movimiento de la textura de giro. Básicamente, estamos usando materiales simples para realizar fenómenos complicados en las interfaces ".

En ambos papeles, Los investigadores realizaron una combinación de cálculos de espín atomísticos y micromagnéticos para determinar la energía necesaria para formar skyrmions y moverlos.

"Resulta que al cambiar la fracción de una capa magnética, puede cambiar las propiedades magnéticas promedio de todo el sistema, así que ahora no necesitamos ir a un material diferente para generar otras propiedades, "Dice Lemesh." Puede diluir la capa magnética con una capa espaciadora de diferente grosor, y terminarás con diferentes propiedades magnéticas, y eso le brinda un número infinito de oportunidades para fabricar su sistema ".

Control preciso

"El control preciso de la creación de skyrmions magnéticos es un tema central del campo, "dice Jiadong Zang, profesor asistente de física en la Universidad de New Hampshire, que no participó en esta investigación, con respecto a Materiales avanzados papel. "Este trabajo ha presentado una nueva forma de generar skyrmions de campo cero a través del pulso de corriente. Este es definitivamente un paso sólido hacia las manipulaciones de skyrmion en régimen de nanosegundos".

Comentando sobre el Nanotecnología de la naturaleza reporte, Christopher Marrows, un profesor de física de la materia condensada en la Universidad de Leeds en el Reino Unido dice:"El hecho de que los skyrmions sean tan pequeños pero puedan estabilizarse a temperatura ambiente lo hace muy significativo".

Tuétanos, que tampoco participó en esta investigación, señaló que el grupo de Beach había predicho skyrmions de temperatura ambiente en un Informes científicos paper a principios de este año y dijo que los nuevos resultados son un trabajo de la más alta calidad. "Pero hicieron la predicción y la vida real no siempre está a la altura de las expectativas teóricas, por lo que merecen todo el crédito por este avance, "Dice Marrows.

Zang, comentando sobre el Nanotecnología de la naturaleza papel, añade:"Un cuello de botella del estudio de skyrmion es alcanzar un tamaño de menos de 20 nanómetros [el tamaño de una unidad de memoria de última generación], e impulsa su movimiento a una velocidad superior a un kilómetro por segundo. Ambos desafíos se han abordado en este trabajo fundamental.

"Una innovación clave es utilizar ferrimagnet, en lugar del ferromagnet de uso común, para albergar skyrmions, "Dice Zang." Este trabajo estimula enormemente el diseño de dispositivos lógicos y de memoria basados ​​en skyrmion. Este es definitivamente un papel estelar en el campo skyrmion ".

Sistemas de hipódromos

Los dispositivos de estado sólido construidos en estos skyrmions podrían algún día reemplazar los discos duros de almacenamiento magnético actuales. Las corrientes de skyrmions magnéticos pueden actuar como bits para aplicaciones informáticas. "En estos materiales, podemos modelar fácilmente pistas magnéticas, Beach dijo durante una presentación en MRS.

Estos nuevos hallazgos podrían aplicarse a dispositivos de memoria de pistas de carreras, que fueron desarrollados por Stuart Parkin en IBM. Una clave para diseñar estos materiales para su uso en dispositivos de pistas de carreras es diseñar defectos deliberados en el material donde se pueden formar los skyrmions. porque los skyrmions se forman donde hay defectos en el material.

"Se puede diseñar poniendo muescas en este tipo de sistema, "dijo Beach, quien también es codirector del Laboratorio de Investigación de Materiales (MRL) en MIT. Un pulso de corriente inyectado en el material forma los skyrmions en una muesca. "El mismo pulso de corriente se puede utilizar para escribir y borrar, ", dijo. Estos skyrmions se forman extremadamente rápido, en menos de una milmillonésima de segundo, Beach dice.

Dice Caretta:"Para poder tener una lógica operativa práctica o un dispositivo de pista de carreras de memoria, tienes que escribir el bit, de eso es de lo que hablamos al crear la cuasi partícula magnética, y tienes que asegurarte de que el bit escrito sea muy pequeño y tienes que traducir ese bit a través del material a un ritmo muy rápido, "Dice Caretta.

Tuétanos, el profesor de Leeds, añade:"Aplicaciones en espintrónica basada en skyrmion, beneficiará, aunque de nuevo es un poco pronto para decir con certeza cuáles serán los ganadores entre las distintas propuestas, que incluyen recuerdos, dispositivos lógicos, osciladores y dispositivos neuromórficos, "

Un desafío restante es la mejor manera de leer estos bits de skyrmion. El trabajo en el grupo Playa continúa en esta área, Lemesh dice:señalando que el desafío actual es descubrir una forma de detectar estos skyrmions eléctricamente para usarlos en computadoras o teléfonos.

"Sí, para que no tenga que llevar su teléfono a un sincrotrón para leer un poco, "Dice Caretta." Como resultado de algunos de los trabajos realizados en ferrimagnetos y sistemas similares llamados anti-ferromagnetos, Creo que la mayoría del campo realmente comenzará a cambiar hacia este tipo de materiales debido a la gran promesa que encierran ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.