En la naturaleza, el movimiento colectivo de algunas aves y peces, como bandadas de estorninos y bancos de sardinas, respectivamente, puede generar fenómenos dinámicos impresionantes. Su estudio constituye la ciencia de la materia activa, que ha sido un tema de gran interés durante las últimas tres décadas.

La dinámica colectiva única de la materia activa se rige por el movimiento de cada entidad individual, las interacciones entre ellas, así como su interacción con el medio ambiente.

Estudios recientes muestran que algunas moléculas y bacterias autopropulsadas muestran un movimiento circular con una quiralidad fija (la propiedad de un objeto de que no puede superponerse a su imagen especular mediante cualquier número de rotaciones o traslaciones), lo que puede permitir la selección de moléculas y bacterias con quiralidad específica basada en su dinámica. Sin embargo, faltan investigaciones sobre objetos similares a materia activa en materiales magnéticos y ferroeléctricos no biológicos para aplicaciones en dispositivos electrónicos.

En este sentido, los skyrmions quirales son prometedores. Se trata de un tipo especial de texturas de espín en materiales magnéticos con interacciones de intercambio asimétrico, que pueden tratarse como cuasipartículas. Llevan cargas topológicas enteras y tienen una quiralidad fija de +1 o -1.

Recientemente, un grupo de científicos, dirigido por el profesor Masahito Mochizuki del Departamento de Física Aplicada de la Universidad de Waseda y entre ellos el Dr. Xichao Zhang de la Universidad de Waseda y el profesor Xiaoxi Liu de la Universidad Shinshu, ha estudiado exhaustivamente los comportamientos de la materia activa de los skyrmions quirales. Su artículo se publica en la revista Nano Letters. .

En este estudio, los científicos colocaron skyrmions quirales dentro de obstáculos de nanoestructuras quirales en forma de una simple flor quiral. Luego estudiaron la dinámica de caminata aleatoria del skyrmion activado térmicamente que interactúa con el obstáculo quiral en forma de flor en una capa ferromagnética, lo que podría crear resultados dependientes de la topología.

"Nuestra investigación demuestra por primera vez que los skyrmions quirales magnéticos exhiben comportamientos activos similares a los de la materia, incluso aunque no tengan un origen biológico e incluso sean patrones espaciales meramente intangibles", dice el profesor Mochizuki.

El skyrmion con una quiralidad de -1 tiene el potencial de dejar una flor quiral izquierda, y el skyrmion con una quiralidad de +1 tiene el potencial de dejar una flor quiral derecha. Los investigadores realizaron una serie de simulaciones para observar cómo se comportarían los skyrmions en ambos casos a diferentes temperaturas:100 K, 150 K, 180 K y 200 K.

Establecieron el tiempo de simulación en 500 ns, con un paso de tiempo de 0,5 ns. El equipo descubrió que, dependiendo de la combinación de variables, el skyrmion permanece dentro del obstáculo o lo escapa. Dado que el movimiento del skyrmion se debe al movimiento browniano dependiente de la temperatura, que es de naturaleza desordenada, este es un caso interesante de cómo obtener un resultado ordenado mediante un movimiento desordenado. En particular, este sistema se puede utilizar para desarrollar un dispositivo de clasificación topológica.

Cuando se le preguntó sobre las implicaciones a largo plazo de su trabajo, el profesor Liu comentó:"Los resultados de nuestra investigación pueden ser útiles para construir futuros dispositivos informáticos y de procesamiento de información con alta densidad de almacenamiento y bajo consumo de energía".

"A largo plazo, pueden proporcionar directrices para el diseño y desarrollo de hardware electrónico y espintrónico no convencional, donde la información se transporta mediante texturas de espín topológico en nanoestructuras. Se espera que este logro mejore la vida de las personas, ya que podrían procesar información de forma energéticamente eficiente, lo que conducirá a una sociedad más ecológica", concluye el Dr. Zhang.

Más información: Xichao Zhang et al, Skyrmions quirales interactuando con flores quirales, Nanoletras (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03792

Información de la revista: Nanoletras

Proporcionado por la Universidad de Waseda