Un decennio fa, la scoperta di quasiparticelle chiamate skyrmioni magnetici ha fornito nuovi importanti indizi su come le strutture microscopiche di spin consentiranno la spintronica, una nuova classe di elettronica che utilizza l'orientamento dello spin di un elettrone piuttosto che la sua carica per codificare i dati.

Ma sebbene gli scienziati abbiano fatto grandi progressi in questo campo molto giovane, non capiscono ancora del tutto come progettare materiali spintronici che permettano di realizzare materiali ultrapiccoli, ultra veloce, dispositivi a bassa potenza. Skyrmions può sembrare promettente, ma gli scienziati hanno a lungo trattato gli skyrmion come semplici oggetti 2D. Studi recenti, però, hanno suggerito che gli skyrmioni 2D potrebbero effettivamente essere la genesi di un modello di spin 3D chiamato hopfion. Ma nessuno era stato in grado di provare sperimentalmente che gli hopfi magnetici esistono su scala nanometrica.

Ora, un team di ricercatori co-guidati da Berkeley Lab ha riferito in Comunicazioni sulla natura la prima dimostrazione e osservazione di hopfioni 3D che emergono da skyrmioni su scala nanometrica (miliardesimi di metro) in un sistema magnetico. I ricercatori affermano che la loro scoperta preannuncia un importante passo avanti nella realizzazione di immagini ad alta densità, alta velocità, a bassa potenza, ma dispositivi di memoria magnetica ultrastabili che sfruttano il potere intrinseco dello spin degli elettroni.

"Non abbiamo solo dimostrato che esistono trame di spin complesse come gli hopfion 3D, ma abbiamo anche dimostrato come studiarle e quindi sfruttarle, " ha detto il co-autore senior Peter Fischer, uno scienziato senior nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, che è anche professore a contratto di fisica presso l'UC Santa Cruz. "Per capire come funzionano davvero gli hopfi, dobbiamo saperli fare e studiarli. Questo lavoro è stato possibile solo perché abbiamo questi straordinari strumenti al Berkeley Lab e le nostre collaborazioni con scienziati di tutto il mondo, " Egli ha detto.

Secondo studi precedenti, luppoli, a differenza degli skyrmion, non vanno alla deriva quando si muovono lungo un dispositivo e sono quindi ottimi candidati per le tecnologie dei dati. Per di più, collaboratori teorici nel Regno Unito avevano previsto che gli hopfi potessero emergere da un sistema magnetico 2D multistrato.

Lo studio attuale è il primo a mettere alla prova queste teorie, ha detto Fischer.

Utilizzando strumenti di nanofabbricazione presso la Molecular Foundry di Berkeley Lab, Noè Kent, un dottorato di ricerca studente di fisica all'UC Santa Cruz e nel gruppo di Fischer al Berkeley Lab, ha lavorato con lo staff di Molecular Foundry per ritagliare nanopillar magnetici da strati di iridio, cobalto, e platino.

I materiali multistrato sono stati preparati dallo studioso post-dottorato dell'UC Berkeley Neal Reynolds sotto la supervisione dell'autore co-senior Frances Hellman, che detiene i titoli di scienziato senior della facoltà nella divisione di scienze dei materiali del Berkeley Lab, e professore di fisica e scienza dei materiali e ingegneria all'Università di Berkeley. Dirige anche il programma NEMM (Non-Equilibrium Magnetic Materials) del Dipartimento dell'Energia, che ha sostenuto questo studio.

Hopfion e skyrmion sono noti per coesistere nei materiali magnetici, ma hanno un caratteristico schema di rotazione in tre dimensioni. Così, per distinguerli, i ricercatori hanno utilizzato una combinazione di due tecniche avanzate di microscopia a raggi X magnetici:X-PEEM (microscopia elettronica a fotoemissione a raggi X) presso la struttura per gli utenti di sincrotrone del Berkeley Lab, la Sorgente di Luce Avanzata; e microscopia magnetica a trasmissione di raggi X (MTXM) presso l'ALBA, un impianto di luce di sincrotrone a Barcellona, Spagna, per immaginare i distinti schemi di rotazione di hopfion e skyrmion.

A conferma delle loro osservazioni, i ricercatori hanno quindi effettuato simulazioni dettagliate per imitare il modo in cui gli skyrmioni 2D all'interno di un dispositivo magnetico si evolvono in hopfion 3D in strutture multistrato accuratamente progettate, e come questi appariranno quando verranno ripresi dalla luce a raggi X polarizzata.

"Le simulazioni sono una parte estremamente importante di questo processo, permettendoci di comprendere le immagini sperimentali e di progettare strutture che supporteranno gli hopfi, skyrmions, o altre strutture di spin 3D progettate, " ha detto Hellman.

Per capire come funzioneranno gli hopfi in un dispositivo, i ricercatori prevedono di impiegare le capacità uniche del Berkeley Lab e le strutture di ricerca di livello mondiale, che Fischer descrive come "essenziali per svolgere tale lavoro interdisciplinare", per studiare ulteriormente il comportamento dinamico delle quasiparticelle donchisciottesche.

"Sappiamo da molto tempo che le texture spin sono quasi inevitabilmente tridimensionali, anche in film relativamente sottili, ma l'imaging diretto è stato sperimentalmente impegnativo, " disse Hellman. "Le prove qui sono eccitanti, e apre le porte alla ricerca e all'esplorazione di strutture di spin 3D ancora più esotiche e potenzialmente significative".