Los pequeños remolinos magnéticos que pueden ocurrir en los materiales, los llamados skyrmions, encierran altas promesas para dispositivos electrónicos novedosos o memorias magnéticas en las que se utilizan como bits para almacenar información. Un requisito previo fundamental para cualquier aplicación es la estabilidad de estosremolinos magnéticos. Un equipo de investigación del Instituto de Física Teórica y Astrofísica de la Universidad de Kiel ha demostrado que las interacciones magnéticas desatendidas hasta ahora pueden desempeñar un papel clave para la estabilidad del skyrmion y pueden mejorar drásticamente la vida útil del skyrmion. Su trabajo, que ha sido publicado hoy 21 de septiembre de 2020 en Comunicaciones de la naturaleza , abre también la perspectiva de estabilizar skyrmions en nuevos sistemas materiales en los que los mecanismos antes considerados no son suficientes.
Investigación intensiva sobre estabilidad a temperatura ambiente
Su estructura magnética única, más precisamente su topología, otorga estabilidad a los skyrmions y los protege del colapso. Por lo tanto, los skyrmions se indican como nudos en la magnetización. Sin embargo, en la red atómica de un sólido esta protección es imperfecta y noes sólo una barrera de energía finita ". La situación es comparable a una canica que yace en un canal que, por lo tanto, necesita un cierto ímpetu, energía, para escapar de ella. Cuanto mayor es la barrera de energía, mayor es la temperatura a la que el skyrmion es estable", explica el profesor Stefan Heinze de la Universidad de Kiel. Especialmente los skyrmions con diámetros inferiores a 10 nanómetros, que son necesarios para futuros dispositivos electrónicos de columna, hasta ahora solo se han detectado a temperaturas muy bajas. Dado que las aplicaciones suelen ser a temperatura ambiente, la mejora de la barrera energéticaes un objetivo clave en la investigación actual sobre skyrmions.
Anteriormente, se estableció un modelo estándar de las interacciones magnéticas relevantes que contribuyen a la barrera. Un equipo de físicos teóricos del grupo de investigación del profesor Stefan Heinze ha demostrado ahora que hasta ahora se ha pasado por alto un tipo de interacciones magnéticas.La década de 1920 Werner Heisenberg podría explicar la ocurrencia del ferromagnetismo por la interacción de intercambio mecánico cuántico que resulta del "salto" dependiente del espín de electrones entre dos átomos. "Si se considera el salto de electrones entre más átomos, ocurren interacciones de intercambio de orden superior", diceDr. Souvik Paul, primer autor del estudio. Sin embargo, estas interacciones son mucho más débiles que el intercambio de pares propuesto por Heisenberg y, por lo tanto, se descuidaron en la investigación sobre skyrmions.
Las interacciones débiles de intercambio de orden superior estabilizan los skyrmions
Basado en simulaciones atomísticas y cálculos mecánicos cuánticos realizados en las supercomputadoras de la Alianza de Supercomputación del Norte de Alemania HLRN, los científicos de Kiel ahora han explicado que estas interacciones débiles aún pueden proporcionar una contribución sorprendentemente grande a la estabilidad del skyrmion. Especialmente el cíclico.Saltar sobre cuatro sitios atómicos influye extraordinariamente en la energía del estado de transición, donde solo unos pocos imanes de barra atómica se inclinan entre sí. Incluso se encontraron antiskyrmions estables en las simulaciones que son ventajosas para algunos conceptos futuros de almacenamiento de datos, pero que suelen decaer demasiado rápido.
Aparecen interacciones de intercambio de orden superior en muchos materiales magnéticos utilizados para aplicaciones potenciales de skyrmion como el cobalto o el hierro. También pueden estabilizar skyrmions en estructuras magnéticas en las que las interacciones magnéticas previamente consideradas no pueden ocurrir o son demasiado pequeñas. Por lo tanto, el presente estudioabre nuevas rutas prometedoras para la investigación de estos fascinantes nudos magnéticos.
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Materiales proporcionado por Universidad de Kiel . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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