Fig. 1:Estabilización de skyrmions por interacciones de intercambio de orden superior. La curva roja muestra la barrera de energía para el colapso de un skyrmion magnético (arriba a la izquierda) en el fondo ferromagnético (abajo a la derecha). En el punto más alto de la curva que define la altura de la barrera se encuentra el estado de transición (arriba a la derecha). Los conos muestran las "barras magnéticas atómicas" de átomos individuales en una red hexagonal. Las flechas plateadas indican conos que apuntan hacia arriba, mientras que el color rojo indica conos que apuntan hacia abajo. Abajo a la izquierda:estructura esquemática de una capa atómica de paladio (Pd) sobre una capa atómica de hierro (Fe) depositada sobre una superficie de rodio (Rh) con orientación cristalográfica (111). Crédito:Universidad de Kiel
Los pequeños remolinos magnéticos que pueden ocurrir en los materiales, los llamados skyrmions, encierran grandes promesas para dispositivos electrónicos novedosos o memorias magnéticas en las que se utilizan como bits para almacenar información. Un requisito previo fundamental para cualquier aplicación es la estabilidad de estos remolinos magnéticos. Un equipo de investigación del Instituto de Física Teórica y Astrofísica de la Universidad de Kiel ha demostrado que las interacciones magnéticas desatendidas hasta ahora pueden desempeñar un papel clave para la estabilidad del skyrmion y pueden mejorar drásticamente la vida útil del skyrmion. Su trabajo, que se ha publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza , abre también la perspectiva de estabilizar skyrmions en nuevos sistemas materiales en los que los mecanismos antes considerados no son suficientes.
Investigación intensiva sobre estabilidad a temperatura ambiente
Su estructura magnética única, más precisamente su topología, otorga estabilidad a los skyrmions y los protege del colapso. Por lo tanto, los skyrmions se denotan como nudos en la magnetización. Sin embargo, en la red atómica de un sólido esta protección es imperfecta y solo hay una barrera de energía finita (Figura 1). "La situación es comparable a una canica que yace en un abrevadero que, por lo tanto, necesita un cierto impulso, energía, para escapar de ella. Cuanto mayor sea la barrera de energía, cuanto más alta es la temperatura a la que el skyrmion es estable, "explica el profesor Stefan Heinze de la Universidad de Kiel. Especialmente los skyrmions con diámetros inferiores a 10 nanómetros, que son necesarios para futuros dispositivos electrónicos de la columna vertebral, hasta ahora solo se han detectado a temperaturas muy bajas. Dado que las aplicaciones son típicamente a temperatura ambiente, la mejora de la barrera energética es un objetivo clave en la investigación actual sobre skyrmions.
Previamente, Se ha establecido un modelo estándar de las interacciones magnéticas relevantes que contribuyen a la barrera. Un equipo de físicos teóricos del grupo de investigación del profesor Stefan Heinze ha demostrado ahora que hasta ahora se ha pasado por alto un tipo de interacciones magnéticas. En la década de 1920, Werner Heisenberg pudo explicar la aparición del ferromagnetismo mediante la interacción de intercambio mecánico cuántico que resulta del "salto" de electrones entre dos átomos dependiente del espín. "Si uno considera que el electrón salta entre más átomos, se producen interacciones de intercambio de orden superior, "dice el Dr. Souvik Paul, primer autor del estudio (Figura 2). Sin embargo, estas interacciones son mucho más débiles que el intercambio de pares propuesto por Heisenberg y, por lo tanto, fueron descuidadas en la investigación sobre skyrmions.
Fig. 2:Ilustración de interacciones de intercambio de orden superior en una red atómica hexagonal. Las flechas de colores muestran el salto de electrones entre dos sitios (verde), tres sitios (azul) y cuatro sitios (rojo). Las esferas indican los sitios atómicos y las flechas la orientación de los "imanes de barra atómica". Crédito:Universidad de Kiel
Las interacciones débiles de intercambio de orden superior estabilizan los skyrmions
Basándose en simulaciones atomísticas y cálculos mecánicos cuánticos realizados en las supercomputadoras de la Alianza de Supercomputación del Norte de Alemania (HLRN), los científicos de Kiel ahora han explicado que estas interacciones débiles aún pueden proporcionar una contribución sorprendentemente grande a la estabilidad del skyrmion. Especialmente el salto cíclico sobre cuatro sitios atómicos (ver flechas rojas en la Fig.2) influye extraordinariamente en la energía del estado de transición (ver Fig.1 punto más alto en la parte superior derecha), donde solo unos pocos imanes de barra atómica se inclinan entre sí. Incluso se encontraron antiskyrmiones estables en las simulaciones que son ventajosas para algunos conceptos futuros de almacenamiento de datos, pero que suelen decaer demasiado rápido.
Las interacciones de intercambio de orden superior aparecen en muchos materiales magnéticos utilizados para posibles aplicaciones de skyrmion como el cobalto o el hierro. También pueden estabilizar skyrmions en estructuras magnéticas en las que las interacciones magnéticas previamente consideradas no pueden ocurrir o son demasiado pequeñas. Por lo tanto, el presente estudio abre nuevas y prometedoras rutas para la investigación de estos fascinantes nudos magnéticos.
