In alcuni materiali, gli spin formano strutture magnetiche complesse su scala nanometrica e micrometrica in cui la direzione della magnetizzazione si torce e si arriccia lungo direzioni specifiche. Esempi di tali strutture sono bolle magnetiche, skyrmion e vortici magnetici.
Spintronics mira a utilizzare tali minuscole strutture magnetiche per archiviare dati o eseguire operazioni logiche con un consumo energetico molto basso rispetto ai componenti microelettronici dominanti di oggi. Tuttavia, la generazione e la stabilizzazione della maggior parte di queste trame magnetiche è limitata a pochi materiali ed è ottenibile in condizioni molto specifiche (temperatura, campo magnetico, ecc.).
Una collaborazione internazionale guidata dal fisico dell’HZB, Dr. Sergio Valencia, ha ora studiato un nuovo approccio che può essere utilizzato per creare e stabilizzare strutture di spin complesse, come i vortici radiali, in una varietà di composti. In un vortice radiale, la magnetizzazione punta verso o lontano dal centro della struttura. Questo tipo di configurazione magnetica è solitamente altamente instabile.
Nell'ambito di questo nuovo approccio, i vortici radiali vengono creati con l'aiuto di strutture superconduttrici, mentre la presenza di difetti superficiali ne determina la stabilizzazione.
I campioni sono costituiti da isole di dimensioni micrometriche costituite dal superconduttore ad alta temperatura YBCO su cui è depositato un composto ferromagnetico. Raffreddando il campione al di sotto di 92 Kelvin (-181 °C), YBCO entra nello stato superconduttore.
In questo stato viene applicato un campo magnetico esterno che viene immediatamente rimosso. Questo processo consente la penetrazione e l'ancoraggio dei quanti di flusso magnetico, che a loro volta creano un campo magnetico disperso.
È questo campo disperso che produce nuove microstrutture magnetiche nello strato ferromagnetico sovrastante:gli spin emanano radialmente dal centro della struttura, come in un vortice radiale.
All'aumentare della temperatura, YBCO passa dallo stato superconduttore allo stato normale. Quindi, il campo vagante creato dalle isole YBCO scompare, e così dovrebbe essere il vortice radiale magnetico. Tuttavia, ricercatori e collaboratori dell'HZB hanno osservato che la presenza di difetti superficiali impedisce che ciò accada:i vortici radiali mantengono parzialmente lo stato impresso, anche quando si avvicinano alla temperatura ambiente.
"Utilizziamo il campo magnetico generato dalle strutture superconduttrici per imprimere determinati domini magnetici sui ferromagneti posti su di esse e i difetti superficiali per stabilizzarli. Le strutture magnetiche sono simili a quelle di uno skyrmion e sono interessanti per le applicazioni spintroniche", spiega Valencia .
I vortici impressi più piccoli avevano un diametro di circa 2 micrometri, circa 10 volte la dimensione dei tipici skyrmion. Il team ha studiato campioni con geometrie circolari e quadrate e ha scoperto che le geometrie circolari aumentavano la stabilità dei vortici radiali magnetici impressi.
"Si tratta di un nuovo modo per creare e stabilizzare tali strutture e può essere applicato a una varietà di materiali ferromagnetici. Queste sono buone nuove prospettive per l'ulteriore sviluppo della spintronica superconduttiva", afferma Valencia.
Lo studio è pubblicato sulla rivista ACS Applied Materials &Interfaces .
Ulteriori informazioni: David Sanchez-Manzano et al, Dipendenza dalle dimensioni e stabilità alle alte temperature delle trame magnetiche dei vortici radiali impresse dai campi vaganti dei superconduttori, Materiali e interfacce applicati ACS (2024). DOI:10.1021/acsami.3c17671
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
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