I minuscoli vortici magnetici che possono verificarsi nei materiali, i cosiddetti skyrmion, sono molto promettenti per nuovi dispositivi elettronici o memorie magnetiche in cui vengono utilizzati come bit per memorizzare informazioni. Un prerequisito fondamentale per qualsiasi applicazione è la stabilità di questi vortici magnetici. Un team di ricerca dell'Istituto di Fisica Teorica e Astrofisica dell'Università di Kiel ha ora dimostrato che le interazioni magnetiche finora trascurate possono svolgere un ruolo chiave per la stabilità degli skyrmioni e possono aumentare drasticamente la durata degli skyrmioni. Il loro lavoro, che è stato pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , apre anche la prospettiva di stabilizzare gli skyrmioni in nuovi sistemi materiali in cui i meccanismi precedentemente considerati non sono sufficienti.

Ricerca intensiva sulla stabilità a temperatura ambiente

La loro struttura magnetica unica, più precisamente la loro topologia, conferisce stabilità agli skyrmioni e li protegge dal collasso. Perciò, gli skyrmioni sono indicati come nodi nella magnetizzazione. Però, sul reticolo atomico di un solido questa protezione è imperfetta e c'è solo una barriera di energia finita (Figura 1). "La situazione è paragonabile a una biglia adagiata in un trogolo che ha quindi bisogno di un certo slancio, energia, per fuggire da esso. Più grande è la barriera energetica, maggiore è la temperatura alla quale lo skyrmion è stabile, " spiega il professor Stefan Heinze dell'Università di Kiel. Soprattutto skyrmioni con diametri inferiori a 10 nanometri, che sono necessari per i futuri dispositivi spinelettronici, sono stati finora rilevati solo a temperature molto basse. Poiché le applicazioni sono tipicamente a temperatura ambiente, il miglioramento della barriera energetica è un obiettivo chiave nella ricerca odierna sugli skyrmioni.

In precedenza, è stato stabilito un modello standard delle interazioni magnetiche rilevanti che contribuiscono alla barriera. Un team di fisici teorici del gruppo di ricerca del professor Stefan Heinze ha ora dimostrato che un tipo di interazioni magnetiche è stato finora trascurato. Negli anni '20 Werner Heisenberg riuscì a spiegare il verificarsi del ferromagnetismo con l'interazione di scambio meccanico quantistico che risulta dal "saltellamento" degli elettroni dipendente dallo spin tra due atomi. "Se si considera il salto di elettroni tra più atomi, si verificano interazioni di scambio di ordine superiore, "dice il dottor Souvik Paul, primo autore dello studio (Figura 2). Però, queste interazioni sono molto più deboli dello scambio pair-wise proposto da Heisenberg e quindi sono state trascurate nella ricerca sugli skyrmioni.

Le interazioni di scambio deboli di ordine superiore stabilizzano gli skyrmioni

Sulla base di simulazioni atomistiche e calcoli di meccanica quantistica eseguiti sui super computer della North-German Supercomputing Alliance (HLRN), gli scienziati di Kiel hanno ora spiegato che queste deboli interazioni possono ancora fornire un contributo sorprendentemente grande alla stabilità dello skyrmione. Soprattutto il salto ciclico su quattro siti atomici (vedi frecce rosse in Fig. 2) influenza l'energia dello stato di transizione in modo straordinariamente forte (vedi Fig. 1 punto più alto in alto a destra), dove solo pochi magneti a barra atomica sono inclinati l'uno contro l'altro. Nelle simulazioni sono stati trovati anche antiskyrmioni stabili che sono vantaggiosi per alcuni concetti futuri di archiviazione dei dati, ma in genere decadono troppo velocemente.

Interazioni di scambio di ordine superiore appaiono in molti materiali magnetici utilizzati per potenziali applicazioni skyrmion come il cobalto o il ferro. Possono anche stabilizzare gli skyrmioni in strutture magnetiche in cui le interazioni magnetiche precedentemente considerate non possono verificarsi o sono troppo piccole. Perciò, il presente studio apre nuove strade promettenti per la ricerca su questi affascinanti nodi magnetici.