I fisici RIKEN hanno scoperto come le interazioni tra gli elettroni possono stabilizzare una disposizione ripetuta di modelli magnetici vorticosi noti come skyrmioni, che potrebbe aiutare a sfruttare ulteriormente queste strutture.

Lo spin di un elettrone fa sì che si comporti come un magnete in miniatura. In uno skyrmion, molti di questi giri sono disposti in uno schema vorticoso che ricorda un minuscolo tornado. Gli Skyrmion sono molto promettenti come mezzo per trasportare informazioni in una nuova generazione di ad alta densità, dispositivi di archiviazione dati a basso consumo energetico.

Gli Skyrmioni si comportano come se fossero particelle distinte, e più skyrmion possono organizzarsi in una griglia regolare all'interno di determinati tipi di materiale. Ma i ricercatori stanno ancora discutendo su come si formino questi reticoli stabili di skyrmion.

Per scoprire di più sui reticoli di skyrmion, Yuuki Yasui del RIKEN Center for Emergent Matter Science e colleghi hanno studiato un materiale metallico chiamato siliciuro di gadolinio rutenio (GdRu2Si2; Fig. 1). Gli elettroni negli atomi di gadolinio del materiale sono in gran parte responsabili delle sue proprietà magnetiche, mentre gli atomi di rutenio apportano elettroni 'itineranti' più mobili.

Il team aveva precedentemente scoperto che applicando un campo magnetico al materiale, potrebbero creare un reticolo quadrato di skyrmion disposti a griglia ad intervalli di circa 2 nanometri. Nel nuovo studio, hanno usato una tecnica chiamata microscopia a effetto tunnel a scansione spettroscopica (SI-STM) per studiare gli elettroni itineranti in GdRu2Si2.

I ricercatori hanno raffreddato il materiale a -271 gradi Celsius e hanno applicato una gamma di campi magnetici per generare diversi modelli magnetici. Le misurazioni SI-STM hanno mostrato che i cambiamenti nei modelli magnetici del materiale si riflettevano nella distribuzione degli elettroni itineranti. In modo cruciale, il team ha anche visto che il reticolo di skyrmion è impresso sugli elettroni itineranti del materiale, dovute alle interazioni tra gli spin degli elettroni localizzati e quelli itineranti.

I ricercatori suggeriscono che queste interazioni potrebbero svolgere un ruolo importante nella formazione del reticolo quadrato dello skyrmion. "Il meccanismo proposto stabilizza i reticoli di skyrmion, "dice Yasui.

Il team ha anche eseguito calcoli teorici, basata sulle interazioni tra elettroni localizzati ed elettroni itineranti, prevedere la distribuzione degli elettroni itineranti nel materiale sotto diversi campi magnetici. Queste distribuzioni erano molto simili ai modelli osservati da SI-STM, prestando supporto al meccanismo proposto dai ricercatori.

Oltre a fornire indizi su come vengono stabilizzati i reticoli di skyrmion, la ricerca mostra che SI-STM può essere utilizzato per monitorare indirettamente il comportamento degli skyrmioni. "Questo potrebbe fornire ai ricercatori uno strumento utile per studiare i reticoli di skyrmion in altri materiali, "dice Yasui.