Gli Skyrmion, minuscoli vortici magnetici, sono considerati candidati promettenti per i dispositivi di memoria delle informazioni di domani che potrebbero essere in grado di raggiungere enormi capacità di archiviazione ed elaborazione dei dati. Un team di ricerca guidato dall'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha sviluppato un metodo per far crescere un particolare materiale magnetico a film sottile che ospita questi vortici magnetici. Un aspetto centrale di questo nuovo metodo è il brusco riscaldamento del materiale con brevi, lampi di luce molto luminosi, come squadra internazionale, composto da scienziati dell'HZDR, l'Istituto Leibniz per la ricerca sullo stato solido e sui materiali di Dresda, TU Dresda (TUD), e partner cinesi, descrive nel giornale Materiali funzionali avanzati .

Nel 2009, un team di ricerca ha fatto una scoperta notevole:hanno scoperto che minuscoli vortici magnetici possono formarsi in un materiale chiamato siliciuro di manganese, una lega di manganese e silicio. Da allora, questi skyrmion, prende il nome dal fisico britannico Tony Skyrme, sono stati considerati candidati promettenti per i futuri dispositivi di memorizzazione magnetica. Possono essere facilmente formati e cancellati dalle superfici e non sono più grandi di pochi nanometri (miliardesimi di metro), il che li rende molto più piccoli dei bit magnetici sui dischi rigidi odierni che misurano circa 50 nanometri.

"Inoltre, gli skyrmion possono essere presi di mira meglio con l'elettricità che con i campi magnetici, come avviene con gli attuali dischi rigidi, " spiega il dottor Shengqiang Zhou, un fisico presso l'Istituto di ricerca sui materiali e la fisica dei fasci di ioni dell'HZDR. "Il targeting con una corrente elettrica ci consente di ottenere una migliore scalabilità, che potrebbe consentirci di costruire dispositivi di archiviazione molto più densi e veloci in futuro." Ma ci sono ancora alcuni ostacoli da superare lungo la strada. Tra le altre cose, silicio e manganese presentano una proprietà sfavorevole quando formano cristalli di siliciuro di manganese:invece di produrre costantemente uno specifico, fase ben definita, i due elementi possono formare molte fasi cristalline differenti. Film sottili di una lega Mn-Si, nota come fase B20, sono particolarmente indicati per la formazione di skyrmioni.

Fasi cristalline indesiderabili

Produrre questa lega è tutt'altro che facile, anche se, perché un'altra fase cristallina indesiderabile, chiamato MnSi1.7, inevitabilmente si forma durante il processo produttivo, impedendo o impedendo la formazione di skyrmions. Nello specifico, temperature più basse e raffreddamento più lento del materiale favoriscono MnSi1.7. Il team di Shengqiang Zhou ha ora sviluppato un metodo che ne previene la formazione, lasciando solo strati sottili di B20-MnSi impeccabile.

L'elemento centrale del nuovo processo è uno speciale trattamento termico. "È un po' come fare una frittella, " Spiega Zhou. "Ha un sapore migliore quando è croccante all'esterno e il più morbido possibile all'interno." Quando versi la pastella in una padella calda, cuoce così velocemente che l'interno rimane bello e morbido. Quando cuoci la pastella in forno, però, si riscalda in modo molto più uniforme e si indurisce dappertutto e si ottiene un pancake piuttosto mediocre.

Riscaldamento con lampeggi

Quindi gli esperti hanno usato questa strategia di frittella di rapida, riscaldamento intenso come loro modello. "Quando riscaldiamo molto brevemente una sottile pellicola di manganese posta sopra un wafer di silicio, introduciamo pochissima energia nel materiale, " Zhou spiega la loro logica. "Questo significa che si raffredderà velocemente, così velocemente, infatti, che l'indesiderato MnSi1.7 non avrà il tempo di formarsi." La sfida è come riscaldare qualcosa in modo rapido e vigoroso allo stesso tempo. Il gruppo di ricerca ha trovato la soluzione in un ambiente luminoso, intensi lampi di luce bianca.

Tali flash possono essere generati al "BlitzLab, " un Helmholtz Innovation Lab situato nel campus di Rossendorf. Varie serie di misurazioni hanno confermato l'ipotesi:"Variando la potenza dei flash, siamo stati in grado di regolare il rapporto delle diverse fasi cristalline con grande precisione, " riferisce Shengqiang Zhou. "Quando abbiamo applicato poteri relativamente forti, film sottili di puro B20-MnSi si sono formati come speravamo."

Di conseguenza, gli skyrmioni che possono essere generati in questi strati sono ora stabili in un intervallo di temperatura e campo magnetico molto più ampio di quanto osservato in precedenza in questo materiale. È improbabile che il siliciuro di manganese stesso sia adatto per l'uso pratico poiché funziona solo a temperature molto basse. Ma potrebbe servire come un modello importante per altri, materiali più praticabili. "Molte leghe pongono il problema di avere fasi diverse, " Zhou spiega. "E il nostro approccio potrebbe aiutare a separare queste fasi in futuro".