Gli skyrmioni magnetici sono minuscole entità, manifestandosi in materiali magnetici costituiti da torsioni localizzate nella direzione di magnetizzazione del mezzo. Ogni skyrmion è altamente stabile perché eliminarlo richiede di sbrogliare la direzione di magnetizzazione del materiale, proprio come un nodo su una corda può essere sciolto solo tirando fuori dal nodo il resto della corda. Gli skyrmioni magnetici sono un candidato promettente per i dispositivi di memorizzazione magnetica di prossima generazione a causa della loro stabilità e delle dimensioni ridotte, con larghezze di 50 nanometri o meno, occupano solo una frazione dell'area dei bit magnetici negli attuali dischi rigidi. Per questa ragione, i ricercatori hanno cercato intensamente materiali che possono contenere skyrmioni magnetici, e studiando le loro proprietà elettriche e magnetiche.

Recentemente, un'importante svolta nella comprensione del comportamento degli skyrmioni magnetici è stata annunciata da un team di scienziati a Singapore e in Israele. hanno mostrato, per la prima volta, che la presenza di skyrmioni magnetici è inequivocabilmente legata a un fenomeno noto come effetto Hall topologico, che descrive come le correnti elettriche vengono deviate da un campo magnetico emergente di uno skyrmion. Il lavoro è stato pubblicato a marzo 2019 sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

Il team ha studiato un nanomateriale sintetico ottimizzato per ospitare skyrmioni magnetici, composto da strati consecutivi di iridio, ferro da stiro, cobalto, e platino, ciascuno avente spessore di un nanometro o meno. Nel 2017, lo stesso nanomateriale aveva fornito la prima prova dell'effetto Hall topologico a temperatura ambiente, osservato dal gruppo di ricerca di Christos Panagopoulos alla Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore), che ha anche condotto il presente lavoro. Il professor Panagopoulos e i suoi collaboratori hanno dimostrato che la resistività di Hall del nanomateriale - il rapporto tra la tensione trasversale e la corrente elettrica in presenza di un campo magnetico - conteneva anomalie difficili da spiegare se non per effetto degli skyrmioni magnetici.

"La cosa interessante del modo in cui gli skyrmion influenzano la resistività di Hall è che dipende da come la magnetizzazione si attorciglia attorno a ciascuno skyrmion, " spiega Panagopoulos. "Matematicamente, tali torsioni sono chiamati caratteristiche "topologiche", motivo per cui il fenomeno fisico viene chiamato "effetto Hall topologico".

Però, alcuni aspetti degli esperimenti del 2017 sono rimasti difficili da spiegare. I dati sembravano indicare che le anomalie nella resistività di Hall erano 100 volte maggiori delle previsioni teoriche basate sull'effetto Hall topologico. Per stabilire una connessione definita, le misurazioni elettriche dovevano essere accuratamente abbinate alle osservazioni dirette di skyrmioni magnetici. Per realizzare questo, il gruppo Panagopoulos ha collaborato con il laboratorio di Ophir Auslaender al Technion, l'Israel Institute of Technology. Utilizzando un microscopio a forza magnetica a bassa temperatura all'avanguardia, il gruppo di Auslaender ha ottenuto immagini altamente accurate degli skyrmioni nel nanomateriale. In particolare, hanno scoperto che alcuni modelli di magnetizzazione "simili a vermi" erano formati da più skyrmioni uniti insieme.

Combinando misurazioni Hall elettriche e immagini magnetiche, la collaborazione è riuscita a restringere significativamente la discrepanza tra teoria ed esperimento. "La prima cosa che ci siamo resi conto è che il numero di skyrmioni magnetici era stato sottovalutato di un fattore dieci, " dice il signor Raju, un ricercatore presso NTU che è uno degli autori principali dello studio. "Scavando più a fondo, siamo stati in grado di dimostrare che il numero di skyrmioni magnetici è direttamente proporzionale alla resistività di Hall topologica. Ciò fornisce la prova conclusiva che gli skyrmion sono responsabili, non qualche altro fenomeno inspiegabile."

Nonostante questo progresso, Il professor Panagopoulos osserva che la resistività di Hall topologica rimane superiore a quanto previsto dalla teoria, e suggerisce che la discrepanza rimanente potrebbe essere una questione di limitazioni teoriche. "Il concetto di effetto Hall topologico si basa su ipotesi, come l'adiabaticità, che sono teoricamente convenienti ma potrebbero non essere accurati per materiali reali, " osserva. "Con l'aiuto di questi metodi sperimentali migliorati, stiamo costruendo una comprensione più sofisticata di come le cariche elettriche interagiscono con lo spin magnetico in questi materiali importanti e tecnologicamente promettenti".