Los remolinos magnéticos a nanoescala conocidos como skyrmions pueden formarse en ciertos materiales, como películas magnéticas delgadas. Estos diminutos vórtices se agrupan en densas redes que son más estables que los dominios magnéticos convencionales y se pueden transportar y manipular con un mínimo de energía eléctrica, características que son muy prometedoras para futuras aplicaciones de almacenamiento de información. Para explotar skyrmions en tales tecnologías de memoria, sin embargo, los científicos necesitan una comprensión más profunda de sus propiedades fundamentales.

Hyun Soon Park, Toshiaki Tanigaki y sus colegas del Centro RIKEN para Ciencias de la Materia Emergente, en asociación con investigadores industriales y académicos de todo Japón, ahora han logrado importantes avances en esta área al realizar el primer análisis tridimensional de las celosías de skyrmion utilizando un microscopio de holografía electrónica.

El equipo dirigido por RIKEN ha sido pionero en técnicas para ver skyrmions en dos dimensiones utilizando técnicas que incluyen microscopía electrónica de transmisión de Lorentz. Sin embargo, la estructura magnética de los skyrmions, definida por la orientación de los espines de los electrones, no es plana, y en cambio implica una distribución tridimensional de orientaciones de espín para formar un verdadero vórtice. Analizar esta estructura en detalle cuantitativo es difícil porque las características están más allá del límite de resolución de la microscopía de Lorentz y pueden oscurecerse por la rugosidad inherente de la superficie de la película.

Holografía electrónica, una técnica para generar visualizaciones tridimensionales a partir de ondas de electrones interferentes, se puede utilizar para resolver estructuras magnéticas con un detalle sin precedentes. Gracias a la colaboración con el grupo del fallecido Akira Tonomura, un antepasado de la holografía electrónica, en Hitachi, Limitado, los investigadores construyeron un microscopio de holografía electrónica de alto voltaje con suficiente potencia para resolver la estructura del skyrmion.

Usando su microscopio holográfico, los investigadores tomaron imágenes de la estructura magnética de una fina película de hierro-cobalto-silicio mientras aplicaban un campo magnético. A medida que se incrementó la intensidad del campo magnético, observaron un cambio en la disposición del espín de los electrones de una estructura helicoidal a la estructura de remolino skyrmion. Las imágenes tridimensionales revelaron que los skyrmions adoptan una forma cilíndrica distinta con un patrón interior inquietantemente hermoso (Fig. 1). Curiosamente, este vórtice magnético cambia de derecha a izquierda a medida que cambia la dirección del campo magnético aplicado.

Park señala que se puede esperar que los skyrmions con configuraciones de giro cilíndrico proporcionen un par de transferencia de giro más efectivo, un factor crítico en el transporte de skyrmions para aplicaciones de almacenamiento de datos. También confía en que la holografía de electrones de alto voltaje tiene un enorme potencial para resolver muchas de las incertidumbres asociadas con los dispositivos espintrónicos. "Ver estructuras magnéticas complejas con alta precisión o en tres dimensiones es clave para comprender estos sistemas, ", señala.