Le interazioni magnetiche tra atomi su scale minuscole possono creare stati unici come gli skyrmioni. Gli Skyrmion hanno proprietà speciali e possono esistere in determinati sistemi di materiali, come una "pila" di diversi strati metallici di spessore sub-nanometrico. La moderna tecnologia informatica basata sugli skyrmioni, che misurano solo pochi nanometri, promette di consentire un modo estremamente compatto e ultraveloce di archiviare ed elaborare i dati.

Come esempio, un concetto per la memorizzazione dei dati con skyrmion potrebbe essere che i bit 1 e 0 siano rappresentati dalla presenza e assenza di un dato skyrmion. Questo concetto potrebbe quindi essere utilizzato nei ricordi di 'autodromo'. Però, è un prerequisito che la distanza tra lo skyrmion per il valore 1 e lo skyrmion gap per il valore 0 rimanga costante durante lo spostamento durante il trasporto dei dati, altrimenti potrebbero verificarsi errori di grandi dimensioni.

Come alternativa migliore, skyrmion di diverse dimensioni possono essere utilizzati per la rappresentazione di 0 e 1. Questi potrebbero quindi essere trasportati come perle su un filo senza che le distanze tra le perle abbiano un ruolo importante. L'esistenza di due diversi tipi di skyrmion (skyrmion e skyrmion bobber) è stata finora prevista solo teoricamente ed è stata dimostrata solo sperimentalmente in un materiale monocristallino appositamente coltivato. In questi esperimenti, però, gli skyrmioni esistono solo a temperature estremamente basse. Queste limitazioni rendono questo materiale inadatto per applicazioni pratiche.

Il gruppo di ricerca guidato da Hans Josef Hug all'Empa è ora riuscito a risolvere questo problema:"Abbiamo prodotto un sistema multistrato composto da vari materiali ferromagnetici di spessore sub-nanometrico, strati di metalli nobili e di terre rare, in cui due diversi stati di skyrmion possono coesistere a temperatura ambiente, " dice Hug. Il suo team ha studiato le proprietà dello skyrmione in sistemi multistrato ferromagnetici ultrasottili utilizzando il microscopio a forza magnetica che hanno sviluppato all'Empa. Per i loro ultimi esperimenti, hanno fabbricato strati di materiale costituiti dai seguenti metalli:iridio (Ir), ferro (Fe), cobalto (Co), platino (Pt) e i metalli delle terre rare terbio (Tb) e gadolinio (Gd).

Tra i due multistrati ferromagnetici che generano skyrmioni, in cui la combinazione di strati Ir/Fe/Co/Pt è sovrapposta cinque volte, i ricercatori hanno inserito un multistrato ferrimagnetico costituito da uno strato di lega TbGd e uno strato di Co. La particolarità di questo livello è che non può generare da solo skyrmion. I due strati esterni, d'altra parte, generare skyrmioni in gran numero.

I ricercatori hanno regolato il rapporto di miscelazione dei due metalli Tb e Gd e gli spessori degli strati TbGd e Co nello strato centrale in modo tale che le sue proprietà magnetiche possano essere influenzate dagli strati esterni:gli strati ferromagnetici "forzano" gli skyrmioni in lo strato ferrimagnetico centrale. Ciò si traduce in un sistema multistrato in cui esistono due diversi tipi di skyrmion.

Evidenze sperimentali e teoriche

I due tipi di skyrmion possono essere facilmente distinti l'uno dall'altro con il microscopio a forza magnetica a causa delle loro diverse dimensioni e intensità. Lo skyrmion più grande, che crea anche un campo magnetico più forte, penetra nell'intero sistema multistrato, cioè anche il multistrato ferrimagnetico medio. Il più piccolo, skyrmion più debole, esiste invece solo nei due multistrati esterni. Questo è il grande significato degli ultimi risultati riguardo a un possibile uso di skyrmion nell'elaborazione dei dati:se i dati binari, 0 e 1, devono essere archiviati e letti, devono essere chiaramente distinguibili, che sarebbe possibile qui per mezzo dei due diversi tipi di skyrmion.

Utilizzando il microscopio a forza magnetica, singole parti di questi multistrati sono state confrontate tra loro. Ciò ha permesso al team di Hug di determinare in quali strati si verificano i diversi skyrmioni. Per di più, simulazioni micromagnetiche al computer hanno confermato i risultati sperimentali. Queste simulazioni sono state effettuate in collaborazione con teorici delle università di Vienna e Messina.

La ricercatrice Empa Andrada-Oana Mandru, il primo autore dello studio, spera che una grande sfida per le applicazioni pratiche sia stata superata:"I multistrati che abbiamo sviluppato utilizzando la tecnologia sputtering possono in linea di principio essere prodotti anche su scala industriale, " ha detto. Inoltre, sistemi simili potrebbero essere utilizzati in futuro per costruire dispositivi di archiviazione di dati tridimensionali con una densità di archiviazione ancora maggiore. Il team ha recentemente pubblicato il proprio lavoro sulla rinomata rivista Comunicazioni sulla natura .

Memoria della pista

Il concetto di tale memoria è stato progettato nel 2004 presso IBM. Consiste nello scrivere informazioni in un posto per mezzo di domini magnetici, cioè aree allineate magneticamente e quindi spostarle rapidamente all'interno del dispositivo per mezzo di correnti. Un bit corrisponde a tale dominio magnetico. Questo compito potrebbe essere svolto da uno skyrmion, Per esempio. Il materiale di supporto di queste unità di informazione magnetica sono nanofili, che sono più di mille volte più sottili di un capello umano e promettono quindi una forma estremamente compatta di archiviazione dei dati. Anche il trasporto dei dati lungo i fili funziona in modo estremamente veloce, circa 100, 000 volte più veloce rispetto a una memoria flash convenzionale e con un consumo energetico molto inferiore.