I vortici su nanoscala noti come skyrmioni possono essere creati in molti materiali magnetici. Per la prima volta, i ricercatori del PSI sono riusciti a creare e identificare gli skyrmioni antiferromagnetici con una proprietà unica:gli elementi critici al loro interno sono disposti in direzioni opposte. Gli scienziati sono riusciti a visualizzare questo fenomeno usando lo scattering di neutroni. La loro scoperta è un passo importante verso lo sviluppo di potenziali nuove applicazioni, come computer più efficienti. I risultati della ricerca sono pubblicati oggi sulla rivista Natura .

Il fatto che un materiale sia magnetico dipende dagli spin dei suoi atomi. Il modo migliore per pensare agli spin è come magneti a barra minuscola. In una struttura cristallina in cui gli atomi hanno posizioni fisse in un reticolo, questi giri possono essere disposti in modo incrociato o allineati tutti in parallelo come le lance di una legione romana, a seconda del singolo materiale e del suo stato.

In determinate condizioni è possibile generare minuscoli vortici all'interno del corpo di spin. Questi sono conosciuti come skyrmion. Gli scienziati sono particolarmente interessati agli skyrmioni come componente chiave nelle tecnologie future, come l'archiviazione e il trasferimento dei dati più efficienti. Per esempio, potrebbero essere usati come bit di memoria:uno skyrmion potrebbe rappresentare quello digitale, e la sua assenza uno zero digitale. Poiché gli skyrmion sono significativamente più piccoli dei bit utilizzati nei supporti di memorizzazione convenzionali, la densità dei dati è molto più alta e potenzialmente anche più efficiente dal punto di vista energetico, mentre anche le operazioni di lettura e scrittura sarebbero più veloci. Gli Skyrmions potrebbero quindi essere utili sia nell'elaborazione dei dati classica che nell'informatica quantistica all'avanguardia.

Un altro aspetto interessante per l'applicazione è che gli skyrmioni possono essere creati e controllati in molti materiali applicando una corrente elettrica. "Con gli skyrmion esistenti, però, è difficile spostarli sistematicamente da A a B, poiché tendono a deviare da un percorso rettilineo a causa delle loro proprietà intrinseche, " spiega Oksana Zaharko, capogruppo di ricerca al PSI.

Collaborando con ricercatori di altre istituzioni, La dottoressa Zaharko e il suo team hanno ora creato un nuovo tipo di skyrmion e hanno dimostrato una caratteristica unica:al loro interno, gli spin critici sono disposti in direzioni opposte tra loro. I ricercatori descrivono quindi i loro skyrmioni come antiferromagnetici.

In linea retta da A a B

"Uno dei vantaggi chiave degli skyrmioni antiferromagnetici è che sono molto più semplici da controllare:se viene applicata una corrente elettrica, si muovono in una semplice linea retta, " commenta Zaharko. Questo è un grande vantaggio:affinché gli skyrmion siano adatti per applicazioni pratiche, deve essere possibile manipolarli e posizionarli selettivamente.

Gli scienziati hanno creato il loro nuovo tipo di skyrmion fabbricandoli in un cristallo antiferromagnetico personalizzato. Zaharko spiega:"Antiferromagnetico significa che gli spin adiacenti sono in una disposizione antiparallela, in altre parole uno che punta verso l'alto e l'altro che punta verso il basso. Quindi, ciò che è stato inizialmente osservato come una proprietà del materiale, l'abbiamo successivamente identificato anche all'interno dei singoli skyrmioni".

Sono ancora necessari diversi passaggi prima che gli skyrmioni antiferromagnetici siano abbastanza maturi per un'applicazione tecnologica:i ricercatori del PSI hanno dovuto raffreddare il cristallo fino a circa -272 gradi Celsius e applicare un campo magnetico estremamente forte di tre tesla, circa 100, 000 volte la forza del campo magnetico terrestre.

Scattering di neutroni per visualizzare gli skyrmioni

E i ricercatori devono ancora creare skyrmioni antiferromagnetici individuali. Per verificare i minuscoli vortici, gli scienziati stanno utilizzando la Swiss Spallation Neutron Source SINQ al PSI. "Qui possiamo visualizzare gli skyrmioni usando la diffusione di neutroni se ne abbiamo molti in uno schema regolare in un particolare materiale, "Spiega Zaharko.

Ma lo scienziato è ottimista:"Nella mia esperienza, se riusciamo a creare skyrmion in un allineamento regolare, qualcuno riuscirà presto a creare tali skyrmion individualmente."

Il consenso generale nella comunità di ricerca è che una volta che i singoli skyrmioni antiferromagnetici possono essere creati a temperatura ambiente, un'applicazione pratica non sarà lontana.