Las interacciones magnéticas entre átomos a escalas diminutas pueden crear estados únicos como skyrmions. Los Skyrmions tienen propiedades especiales y pueden existir en ciertos sistemas de materiales, como una "pila" de diferentes capas metálicas de un grosor inferior a un nanómetro. La tecnología informática moderna basada en skyrmions, que tienen solo unos pocos nanómetros de tamaño, promete permitir una forma extremadamente compacta y ultrarrápida de almacenar y procesar datos.

Como ejemplo, Un concepto para el almacenamiento de datos con skyrmions podría ser que los bits 1 y 0 estén representados por la presencia y ausencia de un skyrmion dado. Por tanto, este concepto podría utilizarse en las memorias de las "pistas de carreras". Sin embargo, es un requisito previo que la distancia entre el skyrmion para el valor 1 y la brecha del skyrmion para el valor 0 permanezca constante cuando se mueve durante el transporte de datos, de lo contrario, podrían producirse grandes errores.

Como mejor alternativa, Se pueden usar skyrmions de diferentes tamaños para la representación de 0 y 1. Estos podrían ser transportados como perlas en una cuerda sin que las distancias entre las perlas jueguen un papel importante. La existencia de dos tipos diferentes de skyrmion (skyrmion y skyrmion bobber) hasta ahora solo se ha predicho teóricamente y solo se ha demostrado experimentalmente en un material monocristalino especialmente desarrollado. En estos experimentos, sin embargo, los skyrmions existen solo a temperaturas extremadamente bajas. Estas limitaciones hacen que este material no sea adecuado para aplicaciones prácticas.

El grupo de investigación dirigido por Hans Josef Hug en Empa ha logrado resolver este problema:"Hemos producido un sistema multicapa que consta de varios materiales ferromagnéticos de espesor subnanométrico, capas de metales nobles y de tierras raras, en el que dos estados skyrmion diferentes pueden coexistir a temperatura ambiente, "dice Hug. Su equipo había estado estudiando las propiedades del skyrmion en sistemas multicapa ferromagnéticos ultrafinos utilizando el microscopio de fuerza magnética que desarrollaron en Empa. Para sus últimos experimentos, fabricaron capas de material hechas de los siguientes metales:iridio (Ir), hierro (Fe), cobalto (Co), platino (Pt) y los metales de las tierras raras terbio (Tb) y gadolinio (Gd).

Entre las dos multicapas ferromagnéticas que generan skyrmions, en las que la combinación de capas de Ir / Fe / Co / Pt se superpone cinco veces, los investigadores insertaron una multicapa ferrimagnética que consta de una capa de aleación de TbGd y una capa de Co. La característica especial de esta capa es que no puede generar skyrmions por sí sola. Las dos capas exteriores, por otra parte, generar skyrmions en grandes cantidades.

Los investigadores ajustaron la proporción de mezcla de los dos metales Tb y Gd y los espesores de las capas de TbGd y Co en la capa central de tal manera que sus propiedades magnéticas pueden verse influenciadas por las capas externas:las capas ferromagnéticas "fuerzan" a los skyrmions a entrar la capa ferrimagnética central. Esto da como resultado un sistema multicapa donde existen dos tipos diferentes de skyrmions.

Evidencia experimental y teórica

Los dos tipos de skyrmions se pueden distinguir fácilmente entre sí con el microscopio de fuerza magnética debido a sus diferentes tamaños e intensidades. El skyrmion más grande, que también crea un campo magnético más fuerte, penetra en todo el sistema multicapa, es decir, también la multicapa ferrimagnética media. El pequeño, skyrmion más débil, por otro lado solo existe en las dos multicapas exteriores. Este es el gran significado de los últimos resultados con respecto a un posible uso de skyrmions en el procesamiento de datos:si los datos binarios, 0 y 1, deben almacenarse y leerse, deben ser claramente distinguibles, lo cual sería posible aquí por medio de los dos tipos diferentes de skyrmions.

Usando el microscopio de fuerza magnética, las partes individuales de estas multicapas se compararon entre sí. Esto permitió al equipo de Hug determinar en qué capas ocurren los diferentes skyrmions. Es más, Las simulaciones por ordenador micromagnético confirmaron los resultados experimentales. Estas simulaciones se llevaron a cabo en colaboración con teóricos de las universidades de Viena y Messina.

El investigador Empa Andrada-Oana Mandru, el primer autor del estudio, tiene la esperanza de que se haya superado un desafío importante hacia las aplicaciones prácticas:"Las multicapas que hemos desarrollado utilizando tecnología de pulverización catódica pueden, en principio, producirse también a escala industrial, ", dijo. Además, Posiblemente, sistemas similares podrían usarse en el futuro para construir dispositivos de almacenamiento de datos tridimensionales con una densidad de almacenamiento aún mayor. El equipo publicó recientemente su trabajo en la reconocida revista Comunicaciones de la naturaleza .

Memoria de pista

El concepto de tal memoria fue diseñado en 2004 en IBM. Consiste en escribir información en un lugar mediante dominios magnéticos, es decir, áreas alineadas magnéticamente y luego moverlas rápidamente dentro del dispositivo por medio de corrientes. Un bit corresponde a tal dominio magnético. Esta tarea podría ser realizada por un skyrmion, por ejemplo. El material portador de estas unidades de información magnética son nanocables, que son mil veces más delgados que un cabello humano y, por lo tanto, prometen una forma extremadamente compacta de almacenamiento de datos. El transporte de datos a lo largo de los cables también funciona extremadamente rápido, sobre 100, 000 veces más rápido que en una memoria flash convencional y con un consumo energético mucho menor.