Piccole strutture a vortice magnetico, i cosiddetti skyrmion, sono stati oggetto di intense ricerche per un po' di tempo per i futuri dispositivi di archiviazione dati salvaspazio ad alta efficienza energetica. Gli scienziati del Forschungszentrum Jülich hanno ora scoperto un'altra classe di oggetti magnetici simili a particelle che potrebbero fare un significativo passo avanti nello sviluppo di dispositivi di memorizzazione dei dati. Le particelle magnetiche appena scoperte consentono di codificare i dati digitali direttamente con due diversi tipi di oggetti magnetici, vale a dire con gli skyrmion e i bobber magnetici, se gli skyrmion sono usati per codificare il numero uno, quindi le nuove strutture potrebbero essere utilizzate per codificare il numero zero.

Questi oggetti, che sono indicati come "bobber magnetici chirali, " sono strutture magnetiche tridimensionali che compaiono vicino alle superfici di alcune leghe.

"Per molto tempo, l'unico oggetto di ricerca nel campo dei magneti chirali era lo skyrmion magnetico. Forniamo ora un nuovo oggetto per l'indagine da parte dei ricercatori, un bobber chirale, caratterizzato da una serie di proprietà uniche, " afferma il Dr. Nikolai Kiselev dell'Istituto Peter Grünberg di Jülich (PGI-1). Tre anni fa, insieme al Direttore dell'Istituto Prof. Stefan Blügel e altri collaboratori, hanno previsto teoricamente l'esistenza di questa nuova classe di strutture magnetiche. Ora, i ricercatori dell'Ernst Ruska-Centre for Microscopy and Spectroscopy with Electrons (direttore Prof. Rafal E. Dunin-Borkowski e colleghi) hanno dimostrato sperimentalmente l'esistenza di bobber chirali in un materiale reale.

La stabilità delle strutture magnetiche come gli skyrmioni è correlata a una proprietà del materiale nota come chiralità. Proprio come una mano destra non può essere convertita in una mano sinistra per ragioni di simmetria, le strutture magnetiche destrorse e sinistrorse non possono essere convertite l'una nell'altra. Per di più, sia gli skyrmion che i bobber chirali appena scoperti sono molto piccoli, con diametri tipicamente di poche decine di nanometri. Perciò, in linea di principio possono essere utilizzati per impacchettare dati molto densamente su un chip di memoria. Però, le loro piccole dimensioni rendono la loro osservazione molto impegnativa. "La visualizzazione della trama magnetica su una scala così piccola richiede tecniche speciali all'avanguardia che sono accessibili solo in pochi laboratori in tutto il mondo, " spiega Rafal Dunin-Borkowski.

C'è un'altra importante ragione per cui i solitoni magnetici (un altro nome per oggetti simili a particelle nella fisica non lineare) come skyrmioni e bobber chirali sono così promettenti per le applicazioni. A differenza dei bit di dati nei dischi rigidi, gli skyrmion sono oggetti mobili. Il loro movimento lungo un binario guida in un chip può essere indotto da un impulso molto debole di corrente elettrica. Questa proprietà offre nuove opportunità per lo sviluppo di un concetto completamente nuovo di memoria magnetica allo stato solido, la cosiddetta memoria da pista Skyrmion. "La mobilità degli skyrmion consente ai dati di spostarsi dagli elementi di scrittura a quelli di lettura senza la necessità di parti meccaniche mobili come testine di lettura e scrittura e il disco rigido stesso, " spiega Nikolai Kiselev. Questa capacità consente di risparmiare energia perché i componenti che si muovono generalmente richiedono più energia, occupano più spazio e tendono ad essere sensibili alle vibrazioni meccaniche e agli urti. Una nuova memoria magnetica allo stato solido sarebbe priva di tali svantaggi.

"Fino ad ora, si presumeva che i dati digitali dovessero in qualche modo essere rappresentati come una sequenza di skyrmioni e spazi vuoti, " dice Stefan Blügel. La distanza tra skyrmion successivi codifica quindi le informazioni binarie. Tuttavia, deve quindi essere controllato o quantizzato, in modo che nessuna informazione venga persa a causa della deriva spontanea degli skyrmioni. Anziché, le particelle magnetiche tridimensionali appena scoperte offrono l'opportunità di codificare i dati digitali direttamente come una sequenza di skyrmioni e onde magnetiche, ciascuno dei quali può fluire liberamente senza la necessità di mantenere distanze precise tra portanti di bit di dati successivi.

Sono necessarie ulteriori ricerche per sviluppare applicazioni pratiche. Nella lega ferro-germanio studiata da Nikolai Kiselev e dai suoi colleghi, le strutture sono stabili solo fino a 200 Kelvin, che corrisponde a -73,5 gradi Celsius. Però, sulla base di considerazioni teoriche, si prevede che i bobber magnetici possano verificarsi anche in altri magneti chirali e, come alcune specie di skyrmioni scoperte di recente, può esistere anche a temperatura ambiente.