Gli scienziati sanno da molto tempo che il magnetismo è creato dagli spin degli elettroni che si allineano in un certo modo. Ma circa un decennio fa, hanno scoperto un altro sorprendente strato di complessità nei materiali magnetici:nelle giuste condizioni, questi giri possono formare piccoli vortici o mulinelli che agiscono come particelle e si muovono indipendentemente dagli atomi che li hanno generati.

I minuscoli vortici sono chiamati skyrmions, dal nome di Tony Skyrme, il fisico britannico che ne predisse l'esistenza nel 1962. Le loro piccole dimensioni e la loro natura robusta, simili a nodi difficili da disfare, hanno dato origine a un campo in rapida espansione dedicato alla loro comprensione migliore e sfruttando le loro strane qualità.

"Questi oggetti rappresentano alcune delle forme più sofisticate di ordine magnetico che conosciamo", ha affermato Josh Turner, uno scienziato del personale presso lo SLAC National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia e ricercatore principale presso lo Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) allo SLAC.

"Quando si formano skyrmion", ha detto, "succede tutto in una volta, in tutto il materiale. La cosa ancora più interessante è che gli skyrmion si muovono come se fossero particelle individuali e indipendenti. È come una danza in cui tutti gli spin comunicano con l'un l'altro e muovendosi all'unisono per controllare il movimento degli skyrmion, e nel frattempo gli atomi nel reticolo sotto di loro stanno semplicemente lì."

Poiché sono così stabili e così piccoli, circa 1.000 volte più grandi di un atomo, e si spostano facilmente applicando piccole correnti elettriche, ha detto, "ci sono molte idee su come sfruttarli per nuovi tipi di elaborazione e archiviazione di memoria tecnologie più piccole e che consumano meno energia."

La cosa più interessante per Turner, tuttavia, è la fisica fondamentale dietro il modo in cui si formano e si comportano gli skyrmion. Lui e i colleghi del Lawrence Berkeley National Laboratory del DOE e dell'Università della California, San Diego, hanno sviluppato metodi per catturare le attività degli skyrmioni nel loro stato naturale e indisturbato con dettagli senza precedenti utilizzando il laser a elettroni liberi a raggi X di SLAC, il Linac Coherent Light Fonte (LCLS). Consente loro di misurare i dettagli su scala nanometrica, fino a un milionesimo di pollice, e di osservare i cambiamenti che si verificano in miliardesimi di secondo.

In una serie di articoli recenti, descrivono esperimenti che suggeriscono che gli skyrmion possono formare una fase simile al vetro in cui i loro movimenti sono così lenti da sembrare bloccati, come le auto in un ingorgo. Inoltre, hanno misurato come il movimento naturale degli skyrmion l'uno rispetto all'altro può oscillare e cambiare in risposta a un campo magnetico applicato e hanno scoperto che questo movimento intrinseco non sembra mai fermarsi del tutto. Questa fluttuazione onnipresente, ha detto Turner, indica che gli skyrmion potrebbero avere molto in comune con i superconduttori ad alta temperatura:materiali quantistici la cui capacità di condurre elettricità senza perdite a temperature relativamente elevate può essere correlata a strisce fluttuanti di spin e carica degli elettroni.

Il team di ricerca è stato in grado di osservare le fluttuazioni di Skyrmion in una sottile pellicola magnetica composta da molti strati alternati di ferro e gadolinio scattando istantanee con il raggio laser a raggi X LCLS a soli 350 trilionesimi di secondo l'uno dall'altro. Dicono che il loro metodo può essere utilizzato per studiare la fisica di un'ampia gamma di materiali, nonché la loro topologia, un concetto matematico che descrive come la forma di un oggetto può deformarsi senza modificarne sostanzialmente le proprietà. Nel caso degli skyrmion, la topologia è ciò che conferisce loro la loro natura robusta, rendendoli difficili da annientare.

"Penso che questa tecnica crescerà e diventerà molto potente nella fisica della materia condensata, perché non ci sono molti modi diretti per misurare queste fluttuazioni nel tempo", ha affermato Sujoy Roy, uno scienziato dello staff dell'Advanced Light Source del Berkeley Lab. "Esiste un numero enorme di studi che possono essere condotti su cose come superconduttori, ossidi complessi e interfacce magnetiche."

Sergio Montoya, uno scienziato del Center for Memory and Recording Research dell'UC San Diego che ha progettato e realizzato il materiale utilizzato in questo studio, ha aggiunto:"Questo tipo di informazioni è importante quando si sviluppano dispositivi elettronici su larga scala e occorre vedere come comportarsi in tutto il materiale, non solo in un piccolo punto."

Istantanee rapide delle modifiche su scala atomica

Montoya ha iniziato a studiare il film ferro-gadolinio intorno al 2013. All'epoca, era già noto che i reticoli di skyrmion potevano formarsi quando i campi magnetici venivano applicati a determinati magneti e c'erano forti sforzi di ricerca per scoprire nuovi materiali in grado di ospitare skyrmion a temperatura ambiente . Montoya ha realizzato con cura i materiali stratificati, regolando le condizioni di crescita per mettere a punto le proprietà del reticolo skyrmion - "il design e la personalizzazione del materiale svolgono un ruolo enorme in studi come questi", ha detto - e ha collaborato con Roy per esaminarli con Raggi X dalla sorgente luminosa avanzata.

Nel frattempo, Turner e il suo team di LCLS stavano sviluppando un nuovo strumento simile a una fotocamera per scattare istantanee di fluttuazioni su scala atomica a velocità dell'otturatore estremamente elevate. Due impulsi laser a raggi X, ciascuno lungo solo milionesimi di miliardesimo di secondo, colpiscono un campione di milionesimi a miliardesimi di secondo. I raggi X volano in un rilevatore e formano "modelli di macchie", ciascuno unico come un'impronta digitale, che rivelano sottili cambiamenti nella complessa struttura del materiale.

"Usiamo impulsi di raggi X morbidi con intensità molto bassa che non disturbano il campione", ha spiegato lo scienziato di LCLS Matt Seaberg. "Questo ci permette di ottenere due istantanee che rivelano le fluttuazioni intrinseche nel materiale e come cambiano nel brevissimo lasso di tempo tra di loro."

Non passò molto tempo prima che i team LCLS, Berkeley Lab e UC San Diego unissero le forze per puntare questo nuovo strumento sugli skyrmion.

Come disse Turner, "Immagina di prendere un telescopio e di scegliere prima dove puntarlo. Skyrmion sembrava una buona scelta:strutture magnetiche esotiche con molte incognite sul loro comportamento".

Strumenti più potenti in vista

Sulla base di ciò che hanno visto in questi esperimenti, "Pensiamo che sia fondamentalmente l'interazione tra skyrmion adiacenti che potrebbe causare le loro oscillazioni intrinseche", ha detto Seaberg. "Stiamo ancora cercando di capirlo. È difficile vedere esattamente cosa stia oscillando dal tipo di misurazioni che abbiamo effettuato. Abbiamo avuto molte discussioni su come potremmo capire cosa sta succedendo e cosa significano effettivamente i segnali che abbiamo misurato ."

Lo strumento specializzato che hanno costruito per questi esperimenti da allora è stato smontato per far posto ad altre cose. Ma sarà riassemblato come parte di una nuova stazione sperimentale che fa parte di un importante aggiornamento LCLS, un luogo ideale, ha affermato il team, per continuare questa nuova classe di esperimenti sulle fluttuazioni di materiali come i superconduttori, nonché un fruttuoso e collaborativo studio scientifico viaggio che Montoya descrive come una "corsa gioiosa".

Turner ha dichiarato:"È straordinario quanto stiamo imparando su questo tipo di oggetti magnetici con le capacità speciali che abbiamo alla LCLS. Questo progetto è stato molto divertente. Lavorare con una squadra così grande e con così tante cose da provare, c'è letteralmente un tesoro di informazioni in attesa di essere scoperto".