Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el magnetismo es creado por los espines de los electrones que se alinean de ciertas maneras. Pero hace aproximadamente una década, descubrieron otra capa asombrosa de complejidad en los materiales magnéticos:en las condiciones adecuadas, estos giros pueden formar pequeños vórtices o remolinos que actúan como partículas y se mueven independientemente de los átomos que los generaron.

Los diminutos remolinos se llaman skyrmions, en honor a Tony Skyrme, el físico británico que predijo su existencia en 1962. Su tamaño pequeño y su naturaleza robusta, como nudos difíciles de deshacer, han dado lugar a un campo en rápida expansión dedicado a comprenderlos mejor. y explotando sus extrañas cualidades.

"Estos objetos representan algunas de las formas más sofisticadas de orden magnético que conocemos", dijo Josh Turner, científico del Departamento de Energía del Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía e investigador principal del Instituto Stanford de Ciencias de los Materiales y la Energía (SIMES). en SLAC.

"Cuando se forman los skyrmions", dijo, "sucede todo a la vez, en todo el material. Lo que es aún más interesante es que los skyrmions se mueven como si fueran partículas individuales e independientes. Es como un baile en el que todos los giros se comunican entre sí". entre sí y moviéndose al unísono para controlar el movimiento de los skyrmions, y mientras tanto, los átomos en la red debajo de ellos simplemente se sientan allí".

Debido a que son tan estables y diminutos (alrededor de 1000 veces el tamaño de un átomo) y se mueven fácilmente mediante la aplicación de pequeñas corrientes eléctricas, dijo, "hay muchas ideas sobre cómo aprovecharlos para nuevos tipos de computación y almacenamiento de memoria". tecnologías que son más pequeñas y consumen menos energía".

Sin embargo, lo más interesante para Turner es la física fundamental detrás de cómo se forman y se comportan los skyrmions. Él y sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y la Universidad de California en San Diego han estado desarrollando métodos para capturar las actividades de los skyrmions en su estado natural y sin perturbaciones con detalles sin precedentes utilizando el láser de electrones libres de rayos X de SLAC, el Linac Coherent Light. Fuente (LCLS). Les permite medir detalles a nanoescala, tan pequeños como millonésimas de pulgada, y observar los cambios que tienen lugar en milmillonésimas de segundo.

En una serie de artículos recientes, describen experimentos que sugieren que los skyrmions pueden formar una fase similar a un vidrio en la que sus movimientos son tan lentos que parecen estar atascados, como autos en un atasco de tráfico. Además, midieron cómo el movimiento natural de los skyrmions entre sí puede oscilar y cambiar en respuesta a un campo magnético aplicado, y descubrieron que este movimiento inherente nunca parece detenerse por completo. Esta fluctuación siempre presente, dijo Turner, indica que los skyrmions pueden tener mucho en común con los superconductores de alta temperatura, materiales cuánticos cuya capacidad para conducir electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas puede estar relacionada con franjas fluctuantes de espín y carga de electrones.

El equipo de investigación pudo observar las fluctuaciones de skyrmion en una película magnética delgada hecha de muchas capas alternas de hierro y gadolinio al tomar instantáneas con el rayo láser de rayos X LCLS con solo 350 billonésimas de segundo de diferencia. Dicen que su método se puede utilizar para estudiar la física de una amplia gama de materiales, así como su topología, un concepto matemático que describe cómo la forma de un objeto puede deformarse sin cambiar fundamentalmente sus propiedades. En el caso de los skyrmions, la topología es lo que les da su naturaleza robusta, haciéndolos difíciles de aniquilar.

"Creo que esta técnica crecerá y se volverá muy poderosa en la física de la materia condensada, porque no hay muchas formas directas de medir estas fluctuaciones a lo largo del tiempo", dijo Sujoy Roy, científica del personal de Fuente de Luz Avanzada de Berkeley Lab. "Hay una gran cantidad de estudios que se pueden realizar sobre superconductores, óxidos complejos e interfaces magnéticas".

Sergio Montoya, científico del Centro de Investigación de Memoria y Grabación de UC San Diego, quien diseñó y elaboró ​​el material utilizado en este estudio, agregó:"Este tipo de información es importante cuando se desarrolla electrónica a gran escala y se necesita ver cómo funcionan". comportarse en todo el material, no solo en un pequeño punto".

Instantáneas rápidas de cambios a escala atómica

Montoya comenzó a estudiar la película de hierro y gadolinio alrededor de 2013. En ese momento, ya se sabía que las redes de skyrmion podían formarse cuando se aplicaban campos magnéticos a ciertos imanes, y hubo grandes esfuerzos de investigación para descubrir nuevos materiales capaces de albergar skyrmions a temperatura ambiente. . Montoya elaboró ​​cuidadosamente los materiales en capas, ajustando las condiciones de crecimiento para sintonizar las propiedades de la red Skyrmion:"el diseño y la confección del material juegan un papel muy importante en estudios como estos", dijo, y se asoció con Roy para examinarlos con Rayos X de la fuente de luz avanzada.

Mientras tanto, Turner y su equipo en LCLS estaban desarrollando una nueva herramienta que es como una cámara para tomar instantáneas de fluctuaciones a escala atómica a velocidades de obturación extremadamente rápidas. Dos pulsos de láser de rayos X, cada uno con una duración de una millonésima de mil millonésima de segundo, golpean una muestra con una diferencia de millonésima a milmillonésima de segundo. Los rayos X vuelan hacia un detector y forman "patrones moteados", cada uno tan único como una huella dactilar, que revelan cambios sutiles en la estructura compleja del material.

"We use soft X-ray pulses with very low intensity that don't disturb the sample," explained LCLS scientist Matt Seaberg. "This allows us to get two snapshots that reveal the intrinsic fluctuations in the material and how they change in the very short time span between them."

It wasn't long before the LCLS, Berkeley Lab and UC San Diego teams joined forces to aim this new tool at skyrmions.

As Turner put it, "Imagine getting a telescope and choosing where to point it first. Skyrmions seemed like a good choice—exotic magnetic structures with many unknowns about their behavior."

More powerful tools ahead

Based on what they saw in these experiments, "We think that it's basically the interaction between adjacent skyrmions that might be causing their intrinsic oscillations," Seaberg said. "We're still trying to understand that. It's hard to see exactly what is oscillating from the type of measurements we made. We've had a lot of discussions about how we could figure out what's happening and what the signals we measured actually mean."

The specialized instrument they built for these experiments has since been taken apart to make way for other things. But it will be reassembled as part of a new experimental station that's part of a major LCLS upgrade—an ideal place, the team said, for continuing this new class of experiments on fluctuations in materials like superconductors, as well as a fruitful and collaborative scientific journey that Montoya describes as a "joyful ride."

Turner said, "It's remarkable how much we are learning about these kinds of magnetic objects with the special capabilities we have at the LCLS. This project has been a lot of fun. Working with such a great team and with so many things to try, there is literally a treasure trove of information waiting to be uncovered."