Gli Skyrmion, minuscoli vortici magnetici che appaiono in determinate combinazioni di materiali, sono considerati vettori di informazioni promettenti per l'archiviazione futura dei dati. Un gruppo di ricerca della RWTH Aachen University, Università di Kiel, e l'Università dell'Islanda ha scoperto che questi nano-nodi magnetici si sciolgono in due modi distinti. Utilizzando un campo magnetico, la probabilità di riuscire a slegare può essere variata fino a un fattore 10, 000. Questa intuizione potrebbe essere rivoluzionaria per l'elaborazione futura delle informazioni con gli skyrmioni. La ricerca è stata ora pubblicata in Fisica della natura .

I nano-nodi magnetici codificano le informazioni in base alla loro presenza o assenza. I principali vantaggi dei nodi sono che sono estremamente stabili, solo pochi nanometri di dimensione, esistono a temperatura ambiente, e può essere mosso da correnti molto piccole. A causa delle piccole correnti, la formazione viene letta e scritta in modo molto efficiente dal punto di vista energetico. In linea di principio, skyrmions può essere utilizzato anche per l'elaborazione dei dati, tale che elaborazione e conservazione possano essere combinate in un'unica struttura. Ciò renderebbe i computer più compatti e, ma ancora più importante, più efficiente dal punto di vista energetico. Sulla base di queste caratteristiche molto promettenti, i ricercatori di tutto il mondo stanno cercando di ottimizzare le proprietà dello skyrmion, concentrandosi in particolare sulla stabilità dello skyrmione. Mentre gli skyrmioni sono generalmente estremamente stabili, i più piccoli skyrmion, che sono necessari per un'adeguata densità di archiviazione dei dati, decadono ancora troppo velocemente a temperatura ambiente. Una comprensione dettagliata dei possibili meccanismi di decadimento potrebbe fornire informazioni su come migliorare significativamente la loro stabilità.

L'eccezionale stabilità degli skyrmioni è il risultato della configurazione a nodo di questi magneti atomici. Come con un pezzo di corda, dove l'estremità della fune deve essere tirata attraverso un foro centrale, sciogliere il nodo atomico richiede uno sforzo considerevole. Per il nano-nodo magnetico, c'è una soluzione leggermente più semplice:dopo aver invertito un singolo magnete atomico contro le forze di ripristino dei suoi atomi vicini, il nodo decade continuamente senza ulteriori sforzi. Però, fino ad ora, non si sapeva quale dei magneti atomici dei circa 100 in uno skyrmion si invertesse più facilmente e quale fosse esattamente il processo.

I ricercatori di Aquisgrana, Kiel, e Reykjavik hanno unito le loro competenze per rispondere a queste domande. "Quale magnete atomico viene girato dipende da condizioni diverse, " spiega Florian Muckel della RWTH Chair of Experimental Physics (Solid State Physics):"Modificando un campo magnetico che agisce sugli skyrmioni, possiamo scegliere tra due meccanismi distinti." Il primo meccanismo comprime inizialmente lo skyrmion alla dimensione di un singolo nanometro per facilitare la successiva inversione di rotazione al centro. L'altro meccanismo sposta il centro del nodo di un nanometro verso la periferia dello skyrmion, prima che un magnete atomico possa invertire il suo orientamento lì piuttosto facilmente. Come il professor Markus Morgenstern, titolare della Cattedra di Fisica Sperimentale (Fisica dello Stato Solido) spiega:"Con l'aiuto di questi due processi, siamo stati in grado di migliorare l'efficienza di sciogliere il nano-nodo. La stabilità dello skyrmion cambia fino a un fattore 10, 000, dove la configurazione più stabile può resistere a cento trilioni di tentativi di slegatura prima che il nodo si sciolga."

La nuova comprensione di come sciogliere i nodi magnetici si basa su un preciso confronto degli esperimenti condotti ad Aquisgrana con il lavoro teorico dei ricercatori di Kiel e Reykjavík. Simulazioni atomistiche al computer, sulla base di nuovi strumenti teorici che hanno richiesto molti anni per essere sviluppati, sono in grado di seguire il movimento di ciascun magnete atomico nel processo di slegatura. "Grazie all'uso di parametri di interazione specifici del materiale ottenuti da calcoli di meccanica quantistica, le simulazioni mostrano un'ottima corrispondenza con gli esperimenti innovativi, " spiega il professor Stefan Heinze. Per gli esperimenti, singoli elettroni sono depositati in posizioni distinte all'interno dello skyrmione. Ad ogni posizione, si determina se il nano-nodo rimane presente o scompare con l'aiuto dell'energia in eccesso fornita dagli elettroni in più. Sulla base di queste informazioni, sono state create mappe della probabilità di riuscire a sciogliere il nodo. "L'accordo tra esperimento e simulazione è impressionante, " commenta Stephan von Malottki, Università di Kiel, che ha eseguito le simulazioni. "È un grande successo del nostro approccio teorico, " aggiunge il dottor Pavel Bessarab di Reykjavik, chi, grazie a una borsa di studio Alexander von Humboldt, ha lavorato nel gruppo di ricerca del professor Stefan Heinze a Kiel nel 2019.

I ricercatori ritengono che le nuove intuizioni sui limiti di stabilità dei nano-nodi magnetici contribuiranno a renderli ancora più stabili nella pratica. Una migliore stabilità degli skyrmion renderà più efficiente la loro applicazione nell'elaborazione delle informazioni. Ciò potrebbe aiutare i nano-nodi ad essere applicati nell'archiviazione di dati commerciali nel prossimo futuro, secondo i ricercatori.

La struttura di equilibrio dello skyrmion visualizzata in alto (i coni colorati simboleggiano l'orientamento dei magneti atomici) può decadere in due modi diversi (sinistra e destra). Questi percorsi sono stati scoperti con l'aiuto di simulazioni al computer. La struttura di transizione è mostrata nella seconda riga. La terza riga mostra la corrispondente distribuzione di energia durante la transizione con una collina di energia che segna l'inversione decisiva di un singolo magnete atomico. Le mappe nella riga più in basso mostrano i tassi di transizione per entrambi i processi. Queste mappe sono state determinate sperimentalmente depositando elettroni aggiuntivi in ​​200 diverse posizioni all'interno dello skyrmion e determinando se il nano-nodo si è sciolto o meno misurando l'energia in eccesso degli elettroni.