Una década atrás, el descubrimiento de cuasipartículas llamadas skyrmions magnéticos proporcionó nuevas pistas importantes sobre cómo las texturas de espín microscópicas permitirán la espintrónica, una nueva clase de electrónica que utiliza la orientación del espín de un electrón en lugar de su carga para codificar datos.

Pero aunque los científicos han logrado grandes avances en este campo tan joven, todavía no entienden completamente cómo diseñar materiales espintrónicos que permitan ultrapequeños, ultrarrápido dispositivos de bajo consumo. Los Skyrmions pueden parecer prometedores, pero los científicos han tratado durante mucho tiempo a los skyrmions como simples objetos 2D. Estudios recientes, sin embargo, han sugerido que los skyrmions 2D podrían ser en realidad la génesis de un patrón de giro 3D llamado hopfions. Pero nadie había sido capaz de probar experimentalmente que existieran lúpulos magnéticos en la nanoescala.

Ahora, un equipo de investigadores codirigido por Berkeley Lab ha informado en Comunicaciones de la naturaleza la primera demostración y observación de hopfions 3D que emergen de skyrmions a nanoescala (mil millonésimas de metro) en un sistema magnético. Los investigadores dicen que su descubrimiento presagia un gran paso adelante en la realización de alta densidad, alta velocidad, de baja potencia dispositivos de memoria magnética ultraestables que explotan el poder intrínseco del espín de los electrones.

"No solo demostramos que existen texturas de espín complejas como los hopfions 3D, también demostramos cómo estudiarlas y, por lo tanto, aprovecharlas, "dijo el coautor principal Peter Fischer, un científico senior en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab que también es profesor adjunto de física en UC Santa Cruz. "Para comprender cómo funcionan realmente los hopfions, tenemos que saber hacerlos y estudiarlos. Este trabajo fue posible solo porque tenemos estas increíbles herramientas en Berkeley Lab y nuestras asociaciones de colaboración con científicos de todo el mundo, " él dijo.

Según estudios previos, hopfions, a diferencia de los skyrmions, no se desvíen cuando se mueven a lo largo de un dispositivo y, por lo tanto, son excelentes candidatos para las tecnologías de datos. Es más, Los colaboradores de la teoría en el Reino Unido habían predicho que los hopiones podrían surgir de un sistema magnético 2D de múltiples capas.

El estudio actual es el primero en poner a prueba esas teorías, Dijo Fischer.

Utilizando herramientas de nanofabricación en Molecular Foundry de Berkeley Lab, Noah Kent, un doctorado estudiante de física en UC Santa Cruz y en el grupo de Fischer en Berkeley Lab, trabajó con el personal de Molecular Foundry para tallar nanopilares magnéticos a partir de capas de iridio, cobalto, y platino.

Los materiales de varias capas fueron preparados por el becario postdoctoral de UC Berkeley, Neal Reynolds, bajo la supervisión de la coautora principal Frances Hellman, quien tiene títulos de científico superior de la facultad en la División de Ciencias de Materiales de Berkeley Lab, y profesor de física y ciencia e ingeniería de materiales en UC Berkeley. También dirige el programa de Materiales Magnéticos de No Equilibrio (NEMM) del Departamento de Energía, que apoyó este estudio.

Se sabe que los hopfions y skyrmions coexisten en materiales magnéticos, pero tienen un patrón de giro característico en tres dimensiones. Entonces, para distinguirlos, Los investigadores utilizaron una combinación de dos técnicas avanzadas de microscopía magnética de rayos X:X-PEEM (microscopía electrónica de fotoemisión de rayos X) en las instalaciones de usuario de sincrotrón de Berkeley Lab. la fuente de luz avanzada; y microscopía magnética de transmisión de rayos X suaves (MTXM) en ALBA, una instalación de luz de sincrotrón en Barcelona, España:para visualizar los distintos patrones de giro de hopfions y skyrmions.

Para confirmar sus observaciones, Luego, los investigadores llevaron a cabo simulaciones detalladas para imitar cómo los skyrmions 2D dentro de un dispositivo magnético evolucionan a hopfions 3D en estructuras multicapa cuidadosamente diseñadas. y cómo aparecerán cuando se obtengan imágenes con luz de rayos X polarizada.

"Las simulaciones son una parte muy importante de este proceso, lo que nos permite comprender las imágenes experimentales y diseñar estructuras que admitirán hopfions, skyrmions, u otras estructuras de giro 3D diseñadas, "Dijo Hellman.

Para comprender cómo funcionarán en última instancia los hopfions en un dispositivo, los investigadores planean emplear las capacidades únicas de Berkeley Lab y las instalaciones de investigación de clase mundial, que Fischer describe como "esenciales para llevar a cabo este trabajo interdisciplinario", para estudiar más a fondo el comportamiento dinámico de las quasipartículas quijotescas.

"Sabemos desde hace mucho tiempo que las texturas de espín son casi inevitablemente tridimensionales, incluso en películas relativamente delgadas, pero la obtención de imágenes directas ha sido un desafío experimental, "dijo Hellman." La evidencia aquí es emocionante, y abre las puertas para encontrar y explorar estructuras de giro en 3D aún más exóticas y potencialmente significativas ".