I vortici magnetici su nanoscala noti come skyrmion possono formarsi in alcuni materiali come sottili pellicole magnetiche. Questi minuscoli vortici si impacchettano in reticoli densi che sono più stabili dei domini magnetici convenzionali e possono essere trasportati e manipolati con una potenza elettrica minima, caratteristiche che sono molto promettenti per future applicazioni di archiviazione delle informazioni. Per sfruttare gli skyrmioni in tali tecnologie di memoria, però, gli scienziati hanno bisogno di una comprensione più profonda delle loro proprietà fondamentali.

Hyun Soon Park, Toshiaki Tanigaki e colleghi del RIKEN Center for Emergent Matter Science, in collaborazione con ricercatori industriali e accademici di tutto il Giappone, hanno ora compiuto grandi progressi in questo settore conducendo la prima analisi tridimensionale dei reticoli di skyrmion utilizzando un microscopio a olografia elettronica.

Il team guidato da RIKEN ha sperimentato tecniche per visualizzare gli skyrmioni in due dimensioni utilizzando tecniche che includono la microscopia elettronica a trasmissione di Lorentz. Però, la struttura magnetica degli skyrmioni, definita dall'orientamento degli spin elettronici, non è piatta, e invece comporta una distribuzione tridimensionale degli orientamenti di spin per formare un vero vortice. L'analisi di questa struttura in dettaglio quantitativo è difficile perché le caratteristiche sono oltre il limite di risoluzione della microscopia di Lorentz e possono essere oscurate dalla rugosità intrinseca della superficie del film.

olografia elettronica, una tecnica per generare visualizzazioni tridimensionali da onde elettroniche interferenti, può essere utilizzato per risolvere strutture magnetiche con dettagli senza precedenti. Attraverso la collaborazione con il gruppo del defunto Akira Tonomura, un antenato dell'olografia elettronica, a Hitachi, srl, i ricercatori hanno costruito un microscopio olografico elettronico ad alta tensione con potenza sufficiente per risolvere la struttura dello skyrmion.

Usando il loro microscopio olografico, i ricercatori hanno ripreso la struttura magnetica di un sottile film di ferro-cobalto-silicio durante l'applicazione di un campo magnetico. All'aumentare dell'intensità del campo magnetico, hanno osservato un cambiamento nella disposizione dello spin degli elettroni da una struttura elicoidale alla struttura vorticosa dello skyrmione. Le immagini tridimensionali hanno rivelato che gli skyrmion adottano una forma cilindrica distinta con un motivo interno stranamente bello (Fig. 1). intrigante, questo vortice magnetico cambia da destro a sinistro quando cambia la direzione del campo magnetico applicato.

Park osserva che ci si può aspettare che gli skyrmion con configurazioni di spin cilindrico forniscano una coppia di trasferimento dello spin più efficace, un fattore critico nel trasporto di skyrmion per applicazioni di archiviazione dati. È anche fiducioso che l'olografia elettronica ad alta tensione abbia un enorme potenziale per risolvere molte delle incertezze associate ai dispositivi spintronici. "Vedere strutture magnetiche complesse con alta precisione o in tre dimensioni è la chiave per comprendere questi sistemi, " fa notare.