Gli scienziati dell'EPFL hanno prodotto skyrmion stabili controllabili utilizzando impulsi laser, fare un passo verso dispositivi di memoria significativamente più efficienti dal punto di vista energetico. L'opera è pubblicata in Lettere di revisione fisica .

Uno skyrmion è un insieme di spin di elettroni che sembrano un vortice in certi materiali magnetici. Gli Skyrmioni possono esistere individualmente o secondo schemi denominati reticoli. Prende il nome dal fisico britannico Tony Skyrme che per primo teorizzò l'esistenza delle loro controparti di particelle elementari nel 1962, gli skyrmioni hanno attirato l'attenzione per il loro potenziale nell'essere utilizzati nei cosiddetti dispositivi "spintronici", che userebbe lo spin piuttosto che la carica degli elettroni, diventando così significativamente più miniaturizzato ed efficiente dal punto di vista energetico.

La maggior parte dell'interesse si è concentrata sulle tecnologie di archiviazione della memoria. Gli Skyrmion possono essere piuttosto stabili e richiedono pochissima energia per scriverli o cancellarli:alcuni studi hanno dimostrato che creare e annientare gli skyrmion potrebbero essere quasi 10, 000 volte più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai dispositivi di archiviazione dati convenzionali. Però, ciò richiederebbe un modo rapido e affidabile per controllare e manipolare i singoli skyrmion.

Ora, i laboratori di Fabrizio Carbone e Henrik M. Rønnow all'EPFL sono stati in grado di scrivere e cancellare skyrmioni stabili usando impulsi laser. Gli scienziati hanno usato una lega ferro-germanio, che può ospitare skyrmioni a circa 0°C, non troppo lontano dalla temperatura ambiente. Questo è importante di per sé, poiché molti di questi esperimenti fondamentali di solito si svolgono a temperature troppo basse per essere mai commercialmente significative.

I ricercatori hanno sfruttato l'effetto di super-raffreddamento che segue un salto di temperatura ultrarapido, che è a sua volta indotto nella lega da un impulso laser ultracorto. Durante il superraffreddamento, gli skyrmioni possono essere congelati in luoghi dove non si verificherebbero in condizioni di equilibrio convenzionali.

Gli skyrmioni in formazione sono stati ripresi utilizzando la microscopia elettronica criogenica di Lorentz risolta nel tempo, che può "vedere" strutture di domini magnetici e meccanismi di inversione della magnetizzazione nello spazio reale e in tempo reale. Questa tecnica è un'evoluzione della microscopia crioelettronica statica, per il quale Jacques Dubochet ha vinto il Premio Nobel per la Chimica nel 2017.

"Quello che abbiamo fatto è stato applicare un impulso laser alla lega mentre veniva mantenuta a una temperatura e a un campo magnetico esterno che normalmente vietano la comparsa di skyrmioni, "dice Fabrizio Carbone. "Singoli skyrmions sono stati visti apparire vicino ai bordi del campione ad ogni lampo di luce. Per di più, una volta stabiliti gli skyrmion, regolando i parametri in prossimità della transizione tra avere gli skyrmion e non averli più, gli impulsi laser possono essere utilizzati per cancellarli tramite la smagnetizzazione indotta dal riscaldamento locale".

I ricercatori sono stati in grado di scrivere e cancellare skyrmioni sulla lega in poche centinaia di nanosecondi fino a pochi microsecondi. Però, i risultati suggeriscono anche percorsi per progettare i tassi di super-raffreddamento per un controllo più rapido degli skyrmioni, fino a picosecondi.

"Le barriere energetiche per manipolare gli skyrmion possono essere molto piccole, " dice Carbone. "Questo significa che, se questo fosse un dispositivo di archiviazione della memoria, il consumo energetico stimato dai nostri esperimenti, in cui le proprietà della luce non erano ancora state adattate per ottimizzare questo parametro, è nella regione dei femto-Joule (quadrilionesimi di Joule) per bit, già paragonabile ai prototipi più efficienti dal punto di vista energetico disponibili."

Nonostante sia uno studio di prova di principio, i ricercatori non hanno resistito a pensare in termini di applicazioni. "In realtà abbiamo calcolato l'energia che richiede, senza alcuna ottimizzazione nel nostro esperimento, " dice Carbone. "E abbiamo scoperto che era già al livello del dispositivo di archiviazione dati che consuma meno energia fino ad oggi. Se implementato nei dispositivi, questo significherebbe qualcosa come la batteria del tuo laptop che dura circa un mese prima di dover essere caricata."