Los Skyrmions, pequeños remolinos magnéticos que aparecen en ciertas combinaciones de materiales, se consideran portadores de información prometedores para el almacenamiento de datos en el futuro. Un equipo de investigación de la Universidad RWTH Aachen, Universidad de Kiel, y la Universidad de Islandia ha descubierto que estos nano-nudos magnéticos se desatan de dos formas distintas. Usando un campo magnético, la probabilidad de tener éxito en la desvinculación se puede variar hasta en un factor de 10, 000. Esta información podría ser revolucionaria para el futuro procesamiento de información con skyrmions. La investigación ahora se ha publicado en Física de la naturaleza .

Los nano-nudos magnéticos codifican la información por su presencia o ausencia. Las principales ventajas de los nudos son que son extremadamente estables, solo unos pocos nanómetros de tamaño, existen a temperatura ambiente, y puede ser movido por corrientes muy pequeñas. Debido a las pequeñas corrientes, la formación se lee y escribe de una manera muy eficiente desde el punto de vista energético. En principio, Los skyrmions también se pueden utilizar para el procesamiento de datos, de tal manera que el procesamiento y el almacenamiento se pueden combinar en una sola estructura. Esto haría que las computadoras fueran más compactas y, más importante, más eficiente energéticamente. Sobre la base de estas características muy prometedoras, investigadores de todo el mundo se esfuerzan por optimizar las propiedades de skyrmion, centrándose especialmente en la estabilidad del skyrmion. Si bien los skyrmions suelen ser extremadamente estables, los skyrmions más pequeños, que son necesarios para una densidad de almacenamiento de datos adecuada, todavía se descomponen demasiado rápido a temperatura ambiente. Una comprensión detallada de los posibles mecanismos de descomposición podría proporcionar información sobre cómo mejorar significativamente su estabilidad.

La excepcional estabilidad de los skyrmions es el resultado de la configuración en forma de nudo de estos imanes atómicos. Como con un trozo de cuerda, donde se debe tirar del extremo de la cuerda a través de un orificio central, Desatar el nudo atómico requiere un esfuerzo considerable. Para el nano nudo magnético, hay una solución un poco más fácil:después de invertir un solo imán atómico contra las fuerzas restauradoras de sus átomos vecinos, el nudo se descompone continuamente sin más esfuerzo. Sin embargo, hasta ahora, no se sabía cuál de los imanes atómicos de alrededor de 100 en un skyrmion se invierte con mayor facilidad y cuál es exactamente el proceso.

Los investigadores de Aquisgrán, Kiel, y Reykjavik aunaron su experiencia para responder a estas preguntas. "Qué imán atómico se enciende depende de diferentes condiciones, "explica Florian Muckel de la Cátedra RWTH de Física Experimental (Física del Estado Sólido):" Al cambiar un campo magnético que actúa sobre los skyrmions, podemos elegir entre dos mecanismos distintos ". El primer mecanismo comprime inicialmente el skyrmion al tamaño de un solo nanómetro para facilitar la posterior inversión de giro en el centro. El otro mecanismo desplaza el centro del nudo un nanómetro hacia la periferia del skyrmion, antes de que un imán atómico pueda cambiar su orientación allí con bastante facilidad. Como el profesor Markus Morgenstern, El titular de la Cátedra de Física Experimental (Física del Estado Sólido) explica:"Con la ayuda de estos dos procesos, pudimos mejorar la eficiencia de desatar el nano-nudo. La estabilidad del skyrmion cambia hasta en un factor de 10, 000, donde la configuración más estable puede soportar cien billones de intentos de desanudar antes de que el nudo se deshaga ".

La nueva comprensión de cómo desatar nudos magnéticos se basa en una comparación precisa de los experimentos llevados a cabo en Aquisgrán con el trabajo teórico de los investigadores de Kiel y Reykjavík. Simulaciones atomísticas por computadora, basado en nuevas herramientas teóricas que tardaron muchos años en desarrollarse, son capaces de seguir el movimiento de cada imán atómico en el proceso de desvinculación. "Gracias al uso de parámetros de interacción específicos del material obtenidos a partir de cálculos mecánicos cuánticos, las simulaciones muestran una muy buena coincidencia con los experimentos innovadores, "explica el profesor Stefan Heinze. Para los experimentos, se depositan electrones individuales en distintas posiciones dentro del skyrmion. En cada puesto, se determina si el nano-nudo permanece presente o desaparece con la ayuda del exceso de energía proporcionada por los electrones extra. Basado en esta información, Se han creado mapas de la probabilidad de tener éxito en desatar el nudo. "El acuerdo entre experimento y simulación es impresionante, "comenta Stephan von Malottki, Universidad de Kiel, quién realizó las simulaciones. "Es un gran éxito de nuestro enfoque teórico, "añade el Dr. Pavel Bessarab de Reykjavik, OMS, gracias a una beca de Alexander von Humboldt, Trabajó en el grupo de investigación del profesor Stefan Heinze en Kiel en 2019.

Los investigadores creen que los nuevos conocimientos sobre los límites de estabilidad de los nano-nudos magnéticos ayudarán a que sean aún más estables en la práctica. La estabilidad mejorada de los skyrmions hará que su aplicación en el procesamiento de información sea más eficiente. Esto podría ayudar a que los nano-nudos se apliquen en el almacenamiento de datos comerciales en un futuro próximo, según los investigadores.

La estructura de equilibrio del skyrmion que se muestra en la parte superior (los conos de colores simbolizan la orientación de los imanes atómicos) puede decaer de dos formas diferentes (izquierda y derecha). Estos caminos se han descubierto con la ayuda de simulaciones por computadora. La estructura de transición se muestra en la segunda fila. La tercera fila muestra la distribución de energía correspondiente durante la transición con una colina de energía que marca la inversión decisiva de un solo imán atómico. Los mapas de la fila inferior muestran las tasas de transición de ambos procesos. Estos mapas se han determinado experimentalmente depositando electrones adicionales en 200 posiciones diferentes dentro del skyrmion y determinando si el nano-nudo se ha desenredado midiendo el exceso de energía de los electrones.