Negli ultimi anni, l'eccitazione ha turbinato attorno a un tipo di quasi-particella chiamata skyrmion che si manifesta come comportamento collettivo di un gruppo di elettroni. Perché sono stabili, solo pochi nanometri di dimensione, e hanno bisogno solo di piccole correnti elettriche per trasportarli, gli skyrmion hanno il potenziale come base per dispositivi di archiviazione ed elaborazione delle informazioni ultra compatti ed efficienti dal punto di vista energetico in futuro.

Ora, un gruppo di ricerca a Singapore ha utilizzato simulazioni al computer per sondare ulteriormente i comportamenti degli skyrmioni, acquisire informazioni che possono aiutare scienziati e ingegneri a studiare meglio le quasi-particelle negli esperimenti. I nuovi risultati, pubblicato questa settimana in I progressi dell'AIP , potrebbe anche portare a dispositivi basati su skyrmion come nano-oscillatori a microonde, utilizzato in una vasta gamma di applicazioni tra cui la comunicazione wireless, sistemi di imaging, radar e GPS.

"I suoi attributi unici, ad esempio, potrebbe teoricamente abilitare notebook con dischi rigidi delle dimensioni di noccioline, eppure consumi poca energia, " ha dichiarato Meng Hau Kuok della National University of Singapore e uno degli autori del lavoro.

Osservato nel 2009, gli skyrmioni derivano dal comportamento collettivo degli elettroni nei materiali magnetici in determinate condizioni. A causa dei loro giri, gli elettroni agiscono come minuscoli magneti in cui i loro poli magnetici si allineano con i loro spin. Un fenomeno chiamato interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), che si verifica all'interfaccia tra uno strato magnetico e un metallo non magnetico, inclina gli spin e li organizza in schemi circolari. Queste disposizioni circolari di giri, che si comportano collettivamente come particelle, sono skyrmion.

Sebbene i ricercatori abbiano studiato come si comportano i gruppi di skyrmioni, si sa poco dei loro comportamenti interni, disse Kuok. In particolare, i fisici non comprendono appieno i tre modi fondamentali delle particelle, che sono analoghi ai modi vibrazionali fondamentali di una corda di chitarra corrispondenti a diverse note musicali. Come quelle note, ogni modalità skyrmion è associata a una certa frequenza.

"Le modalità possono essere pensate come schemi circolari di trottole che danzano in sincronia, " ha detto Kuok. Comprendere le modalità è essenziale per sapere come si comporteranno le particelle.

In una delle modalità, chiamato la modalità di respirazione, il modello di spin si espande e si contrae alternativamente. Nelle altre due modalità, la disposizione circolare degli spin ruota in senso orario e antiorario, rispettivamente.

I ricercatori si sono concentrati su un tipo di skyrmion chiamato Néel skyrmion, che esiste in film ultrasottili depositati su metalli con un forte DMI. Usando un computer, hanno simulato come il DMI ei campi magnetici esterni di intensità variabile influenzassero le modalità e le proprietà delle particelle. Hanno scoperto che data la stessa forza DMI, e se nella fase cristallina, le frequenze corrispondenti a ciascuna modalità dipendono in modo diverso dall'intensità del campo magnetico.

L'aumento del campo magnetico induce anche gli skyrmioni a cambiare fase l'uno rispetto all'altro, dall'essere disposti in matrici ordinate come un cristallo a essere distribuiti e isolati casualmente. I ricercatori hanno scoperto che le tre modalità rispondono in modo diverso a questa transizione di fase.

Sorprendentemente, Kuok ha detto, tutte e tre le modalità possono esistere nella fase cristallina, mentre la modalità di rotazione oraria non esiste nella fase isolata. Una ragione, le simulazioni rivelate, potrebbe essere che gli skyrmioni siano più distanti nella fase isolata che nella fase cristallina. Se gli skyrmion sono troppo distanti, quindi non possono interagire. Questa interazione potrebbe essere necessaria per la modalità di rotazione in senso orario, disse Kuok.

Poiché le frequenze modali degli skyrmioni sono nell'intervallo delle microonde, le quasi-particelle potrebbero essere utilizzate per nuovi nano-oscillatori a microonde, che sono elementi costitutivi importanti per i circuiti integrati a microonde.

Un nano-oscillatore a microonde basato su skyrmioni potrebbe funzionare a tre frequenze di risonanza, corrispondente alle tre modalità. Un campo magnetico crescente abbasserebbe le frequenze di risonanza della respirazione e delle modalità di rotazione in senso orario a velocità diverse, ma aumentare la frequenza di risonanza della modalità di rotazione in senso antiorario. Un tale dispositivo basato su skyrmion sarebbe più compatto, stabile, e richiedono meno energia del convenzionale, nano-oscillatori a base di elettroni.

Ma prima che gli skyrmion trovino la loro strada nei dispositivi, i ricercatori devono ancora progettare le loro proprietà specifiche desiderate, come le dimensioni, e sintonizzare con precisione le loro proprietà dinamiche. "I nostri risultati potrebbero fornire spunti teorici per affrontare queste sfide, " disse Kuok.