Per molte applicazioni tecniche moderne, come i fili superconduttori per la risonanza magnetica, gli ingegneri vogliono il più possibile eliminare la resistenza elettrica e la relativa produzione di calore.

Si scopre, però, che un po' di produzione di calore dalla resistenza è una caratteristica desiderabile nei film sottili metallici per applicazioni spintroniche come la memoria del computer a stato solido. Allo stesso modo, mentre i difetti sono spesso indesiderabili nella scienza dei materiali, possono essere usati per controllare la creazione di quasi-particelle magnetiche note come skyrmioni.

In articoli separati pubblicati questo mese sulle riviste Nanotecnologia della natura e Materiale avanzato , ricercatori del gruppo del MIT Professor Geoffrey S.D. Beach e colleghi in California, Germania, Svizzera, e Corea, hanno dimostrato di poter generare skyrmioni stabili e in rapido movimento in materiali stratificati appositamente formulati a temperatura ambiente, stabilendo record mondiali di dimensioni e velocità. Ogni articolo è stato presentato sulla copertina del rispettivo giornale.

Per la ricerca pubblicata su Materiale avanzato , i ricercatori hanno creato un filo che impila 15 strati ripetuti di una lega metallica appositamente fabbricata composta da platino, che è un metallo pesante, cobalto-ferro-boro, che è un materiale magnetico, e magnesio-ossigeno. In questi materiali stratificati, l'interfaccia tra lo strato metallico di platino e il cobalto-ferro-boro crea un ambiente in cui si possono formare skyrmioni applicando un campo magnetico esterno perpendicolare al film e impulsi di corrente elettrica che viaggiano lungo la lunghezza del filo.

In particolare, sotto un campo di 20 milliTesla, una misura dell'intensità del campo magnetico, il filo forma skyrmioni a temperatura ambiente. A temperature superiori a 349 kelvin (168 gradi Fahrenheit), gli skyrmioni si formano senza un campo magnetico esterno, un effetto causato dal riscaldamento del materiale, e gli skyrmioni rimangono stabili anche dopo che il materiale è tornato a temperatura ambiente. In precedenza, risultati come questo si erano visti solo a bassa temperatura e con grandi campi magnetici applicati, dice la spiaggia.

Struttura prevedibile

"Dopo aver sviluppato una serie di strumenti teorici, ora possiamo non solo prevedere la struttura e le dimensioni dello skyrmion interno, ma possiamo anche fare un problema di reverse engineering, possiamo dire, ad esempio, vogliamo avere uno skyrmion di quelle dimensioni, e saremo in grado di generare il multistrato, o il materiale, parametri, che porterebbe alla dimensione di quello skyrmion, "dice Ivan Lemesh, primo autore dell'articolo Advanced Materials e studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali al MIT. I coautori includono l'autore senior Beach e altri 17.

Una caratteristica fondamentale degli elettroni è il loro spin, che punta in alto o in basso. Uno skyrmion è un ammasso circolare di elettroni i cui spin sono opposti all'orientamento degli elettroni circostanti, e gli skyrmion mantengono una direzione in senso orario o antiorario.

"Però, oltre a ciò, abbiamo anche scoperto che gli skyrmioni nei multistrati magnetici sviluppano una complessa natura contorta dipendente dallo spessore, Lemesh ha detto durante una presentazione del suo lavoro alla riunione autunnale della Materials Research Society (MRS) a Boston il 30 novembre. Questi risultati sono stati pubblicati in uno studio teorico separato in Revisione fisica B nel mese di settembre.

La ricerca attuale mostra che mentre questa struttura contorta di skyrmion ha un impatto minore sulla capacità di calcolare la dimensione media dello skyrmion, influenza significativamente il loro comportamento indotto dalla corrente.

Limiti fondamentali

Per l'articolo in Nature Nanotechnology, i ricercatori hanno studiato un diverso materiale magnetico, platino stratificato con uno strato magnetico di una lega di cobalto di gadolinio, e ossido di tantalio. In questo materiale, i ricercatori hanno dimostrato di poter produrre skyrmioni fino a 10 nanometri e hanno stabilito che potevano muoversi a una velocità elevata nel materiale.

"Quello che abbiamo scoperto in questo articolo è che i ferromagneti hanno limiti fondamentali per la dimensione della quasi-particella che puoi creare e quanto velocemente puoi guidarli usando le correnti, " dice il primo autore Lucas Caretta, uno studente laureato in scienze e ingegneria dei materiali.

In un ferromagnete, come il cobalto-ferro-boro, gli spin vicini sono allineati parallelamente l'uno all'altro e sviluppano un forte momento magnetico direzionale. Per superare i limiti fondamentali dei ferromagneti, i ricercatori si sono rivolti al gadolinio-cobalto, che è un ferrimagnete, in cui gli spin vicini si alternano su e giù in modo che possano annullarsi a vicenda e risultare in un momento magnetico nullo complessivo.

"Si può progettare un ferrimagnete in modo tale che la magnetizzazione netta sia zero, consentendo texture di spin ultrapiccole, o sintonizzarlo in modo che il momento angolare netto sia zero, abilitando texture di spin ultraveloci. Queste proprietà possono essere ingegnerizzate dalla composizione del materiale o dalla temperatura, "Spiega Caretta.

Nel 2017, i ricercatori del gruppo di Beach ei loro collaboratori hanno dimostrato sperimentalmente di poter creare queste quasi-particelle a piacimento in luoghi specifici introducendo un particolare tipo di difetto nello strato magnetico.

"È possibile modificare le proprietà di un materiale utilizzando diverse tecniche locali come il bombardamento ionico, ad esempio, e così facendo cambi le sue proprietà magnetiche, "Lemesh dice, "e poi se inietti una corrente nel filo, lo skyrmion nascerà in quel luogo."

Aggiunge Caretta:"In origine è stato scoperto con difetti naturali del materiale, poi sono diventati difetti ingegnerizzati attraverso la geometria del filo."

Hanno usato questo metodo per creare skyrmions nella nuova carta Nature Nanotechnology.

I ricercatori hanno realizzato immagini degli skyrmioni nella miscela di cobalto-gadolinio a temperatura ambiente nei centri di sincrotrone in Germania, utilizzando l'olografia a raggi X. Felix Buttner, un postdoc nel Beach lab, è stato uno degli sviluppatori di questa tecnica di olografia a raggi X. "È una delle poche tecniche che può consentire immagini così altamente risolte in cui si distinguono skyrmioni di queste dimensioni, "dice Caretta.

Questi skyrmioni sono piccoli quanto 10 nanometri, che è l'attuale record mondiale di skyrmioni a temperatura ambiente. I ricercatori hanno dimostrato l'attuale movimento della parete del dominio guidato di 1,3 chilometri al secondo, utilizzando un meccanismo che può essere utilizzato anche per spostare gli skyrmion, che stabilisce anche un nuovo record mondiale.

Fatta eccezione per il lavoro di sincrotrone, tutte le ricerche sono state fatte al MIT. "Coltiviamo i materiali, fare la fabbricazione e caratterizzare i materiali qui al MIT, "dice Caretta.

Modellazione magnetica

Questi skyrmioni sono un tipo di configurazione di spin degli spin degli elettroni in questi materiali, mentre i muri di dominio sono un altro. I muri di dominio sono il confine tra i domini di orientamento di spin opposto. Nel campo della spintronica, queste configurazioni sono note come solitoni, o spin texture. Poiché gli skyrmioni sono una proprietà fondamentale dei materiali, la caratterizzazione matematica della loro energia di formazione e movimento implica un complesso insieme di equazioni che incorporano la loro dimensione circolare, momento angolare di spin, momento angolare orbitale, carica elettronica, forza magnetica, spessore dello strato, e diversi termini fisici speciali che catturano l'energia delle interazioni tra spin vicini e strati vicini, come l'interazione di scambio.

Una di queste interazioni, che si chiama interazione Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), ha un significato speciale per la formazione di skyrmioni e deriva dall'interazione tra gli elettroni nello strato di platino e lo strato magnetico. Nell'interazione Dzyaloshinskii-Moriya, gli spin si allineano perpendicolarmente l'uno all'altro, che stabilizza lo skyrmion, dice Lemesh. L'interazione DMI consente a questi skyrmioni di essere topologici, dando luogo ad affascinanti fenomeni fisici, rendendoli stabili, e permettendo loro di essere spostati con una corrente.

"Il platino stesso è ciò che fornisce quella che viene chiamata una corrente di spin che è ciò che guida le trame di spin in movimento, " dice Caretta. "La corrente di spin fornisce una coppia sulla magnetizzazione del ferro o ferrimagnete ad esso adiacente, e questa coppia è ciò che alla fine causa il movimento della trama di rotazione. Fondamentalmente stiamo usando materiali semplici per realizzare fenomeni complicati alle interfacce".

In entrambi i giornali, i ricercatori hanno eseguito una combinazione di calcoli di spin micromagnetici e atomistici per determinare l'energia necessaria per formare gli skyrmioni e per spostarli.

"Si scopre che cambiando la frazione di uno strato magnetico, è possibile modificare le proprietà magnetiche medie dell'intero sistema, quindi ora non abbiamo bisogno di passare a un materiale diverso per generare altre proprietà, " Dice Lemesh. "Puoi semplicemente diluire lo strato magnetico con uno strato distanziatore di diverso spessore, e ti ritroverai con diverse proprietà magnetiche, e questo ti offre un numero infinito di opportunità per fabbricare il tuo sistema."

Controllo preciso

"Il controllo preciso della creazione di skyrmion magnetici è un argomento centrale del campo, "dice Jiadong Zang, un assistente professore di fisica presso l'Università del New Hampshire, chi non è stato coinvolto in questa ricerca, per quanto riguarda la Materiale avanzato carta. "Questo lavoro ha presentato un nuovo modo di generare skyrmioni a campo zero tramite impulsi di corrente. Questo è sicuramente un solido passo avanti verso la manipolazione degli skyrmioni nel regime dei nanosecondi".

Commentando il Nanotecnologia della natura rapporto, Cristoforo Midolli, un professore di fisica della materia condensata presso l'Università di Leeds nel Regno Unito afferma:"Il fatto che gli skyrmioni siano così piccoli ma che possano essere stabilizzati a temperatura ambiente lo rende molto significativo".

Midolli, anche lui non è stato coinvolto in questa ricerca, ha notato che il gruppo Beach aveva previsto skyrmioni a temperatura ambiente in a Rapporti scientifici carta all'inizio di quest'anno e ha affermato che i nuovi risultati sono lavori di altissima qualità. "Ma hanno fatto la previsione e la vita reale non è sempre all'altezza delle aspettative teoriche, quindi meritano tutto il merito per questa svolta, "Dice il midollo.

Zang, commentando il Nanotecnologia della natura carta, aggiunge:"Un collo di bottiglia dello studio Skyrmion è raggiungere una dimensione inferiore a 20 nanometri [la dimensione dell'unità di memoria all'avanguardia], e guidare il suo moto con velocità oltre un chilometro al secondo. Entrambe le sfide sono state affrontate in questo lavoro fondamentale.

"Un'innovazione chiave è usare ferrimagnet, invece del ferromagnete comunemente usato, per ospitare skyrmion, " dice Zang. "Questo lavoro stimola enormemente la progettazione di dispositivi logici e di memoria basati su skyrmion. Questa è sicuramente una carta stellare nel campo skyrmion."

Sistemi da pista

I dispositivi a stato solido costruiti su questi skyrmion potrebbero un giorno sostituire gli attuali dischi rigidi di archiviazione magnetica. Flussi di skyrmion magnetici possono fungere da bit per applicazioni informatiche. "In questi materiali, possiamo facilmente modellare tracce magnetiche, " ha detto Beach durante una presentazione a MRS.

Queste nuove scoperte potrebbero essere applicate ai dispositivi di memoria da pista, che sono stati sviluppati da Stuart Parkin presso IBM. Una chiave per progettare questi materiali per l'uso in dispositivi da pista è la progettazione di difetti deliberati nel materiale in cui possono formarsi gli skyrmioni, perché gli skyrmions si formano dove ci sono difetti nel materiale.

"Si può progettare inserendo tacche in questo tipo di sistema, " disse Spiaggia, che è anche co-direttore del Materials Research Laboratory (MRL) al MIT. Un impulso di corrente iniettato nel materiale forma gli skyrmioni in una tacca. "Lo stesso impulso di corrente può essere utilizzato per scrivere e cancellare, " disse. Questi skyrmion si formano estremamente rapidamente, in meno di un miliardesimo di secondo, dice la spiaggia.

Dice Caretta:"Per poter disporre di una pratica logica di funzionamento o di un dispositivo da pista di memoria, devi scrivere il bit, quindi è di questo che parliamo nel creare la quasi particella magnetica, e devi assicurarti che il bit scritto sia molto piccolo e devi tradurre quel bit attraverso il materiale a un ritmo molto veloce, "dice Caretta.

Midolli, il professore di Leeds, aggiunge:"Applicazioni nella spintronica basata su skyrmion, beneficierà, anche se ancora è un po' presto per dire con certezza quali saranno i vincitori tra le varie proposte, che includono ricordi, dispositivi logici, oscillatori e dispositivi neuromorfici, "

Una sfida rimanente è il modo migliore per leggere questi frammenti di skyrmion. Proseguono i lavori del gruppo Beach in questo settore, Lemesh dice, notando che la sfida attuale è scoprire un modo per rilevare questi skyrmion elettricamente per usarli in computer o telefoni.

"Sì, quindi non devi portare il telefono su un sincrotrone per leggere un po', " dice Caretta. "Come risultato di alcuni dei lavori fatti su ferrimagneti e sistemi simili chiamati antiferromagneti, Penso che la maggior parte del settore inizierà effettivamente a spostarsi verso questi tipi di materiali a causa dell'enorme promessa che mantengono".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.