Il Premio Nobel 2016 per la Fisica è stato assegnato a tre fisici teorici per le loro scoperte sulle transizioni di fase topologiche e sulle fasi topologiche della materia, che mette in evidenza il ruolo e il significato della topologia nella comprensione del mondo fisico. Nel campo del magnetismo, la topologia è anche direttamente correlata e fondamentale alla fisica di una trama magnetica esotica, lo skyrmione magnetico.

Gli skyrmioni magnetici sono strutture magnetiche su nanoscala con numeri quantici topologici, che esistono in un certo numero di materiali e possono essere controllati con metodi come la corrente elettrica e altri. A causa delle loro dimensioni su scala nanometrica e della stabilità topologicamente protetta, gli skyrmioni magnetici sono molto promettenti nelle applicazioni spintroniche come la memoria magnetica e i dispositivi di calcolo logico. Al fine di manipolare gli skyrmioni magnetici per l'elaborazione delle informazioni, è fondamentale comprenderne appieno le dinamiche.

Recentemente, un team di ricercatori dalla Cina e dal Giappone ha studiato gli skyrmioni magnetici in magneti frustrati e ha scoperto le dinamiche esotiche degli skyrmioni magnetici frustrati, che è totalmente diverso da quello degli skyrmioni magnetici nei comuni materiali ferromagnetici. Hanno scoperto la transizione di blocco-sblocco dell'elicità di skyrmioni magnetici frustrati includendo le interazioni dipolo-dipolo nel loro modello teorico, che è un termine energetico solitamente trascurabile per i comuni skyrmioni ferromagnetici. Nei magneti frustrati, l'interazione dipolo-dipolo svolge un ruolo importante nell'accoppiamento elicità (modalità di rotazione)-orbita (modalità traslazionale) dello skyrmione, soprattutto a bassa temperatura. Inoltre, i ricercatori mostrano che le dinamiche skyrmions e antiskyrmions controllate dalla corrente con l'elicità di blocco-sblocco nei magneti frustrati possono consentire nuove applicazioni spintroniche come i dispositivi di archiviazione delle informazioni basati sull'elicità.

La scoperta è riportata questa settimana sul giornale Comunicazioni sulla natura , in un documento dell'Università cinese di Hong Kong, Il ricercatore di Shenzhen Xichao Zhang, e dottorando Jing Xia, e altri quattro dell'Università di Shenzhen, Cina, Università di Shinshu, Giappone, e l'Università di Tokyo, Giappone.

"L'elicità è un grado di libertà di skyrmioni magnetici frustrati, "dice Xichao Zhang, un ricercatore presso l'Università cinese di Hong Kong, Shenzhen, e il primo autore dello studio. "Nei materiali ferromagnetici convenzionali, l'elicità di uno skyrmion non può essere controllata efficacemente, mentre troviamo che è possibile controllare l'elicità dello skyrmione utilizzando la transizione blocco-sblocco dell'elicità in materiali magnetici frustrati." Zhang aggiunge che il controllo dell'elicità può portare a nuove applicazioni spintroniche come le memorie skyrmioniche basate sull'elicità.

"Il nostro studio mostra anche le interazioni tra skyrmioni frustrati e antiskyrmioni, che sono problemi di significato sia teorico che pratico, " spiega Yan Zhou, professore associato dell'Università cinese di Hong Kong, Shenzhen, e il corrispondente autore dello studio. Zhou dice che è anche possibile costruire dispositivi di calcolo logico basati su skyrmion e antiskyrmion, e il suo gruppo sta perseguendo questo attualmente.

"Possiamo usare skyrmion frustrati come memoria binaria utilizzando due stati stabili di tipo Bloch, dove l'elicità può essere commutata applicando corrente, "dice Motohiko Ezawa, docente dell'Università di Tokyo, e l'altro autore corrispondente dello studio.