Per la prima volta, un team tutto RIKEN ha osservato l'intero ciclo di vita di minuscoli vortici magnetici, rivelando la loro nascita, movimento e morte. Questo sarà importante per informare lo sviluppo di futuri dispositivi di memoria a bassa potenza basati su questi vortici magnetici.

Osservato per la prima volta sperimentalmente nel 2009, gli skyrmioni si formano quando i campi magnetici degli atomi di un materiale si organizzano in strutture simili a vortici. Gli Skyrmion possono spostarsi come se fossero particelle e sono promettenti per il trasporto di dati in chip di computer a bassa potenza e dispositivi di memoria.

I ricercatori hanno precedentemente studiato come si comportano gli skyrmioni durante le singole fasi della loro vita. Ma questi eventi si verificano in genere in tempi molto diversi, da meno di un nanosecondo a molti microsecondi, e con lunghezze che vanno da nanometri a micrometri. Ciò ha reso difficile seguire uno skyrmion per tutta la sua vita e capire come interagiscono più skyrmion in quel periodo.

"Questo comportamento determinerebbe direttamente le prestazioni dei dispositivi di memoria basati su skyrmion, " nota Takahiro Shimojima del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS).

Ora, Shimojima e sei colleghi del CEMS hanno studiato skyrmion per tutta la loro vita in un sottile film di cobalto zinco manganese.

Poiché gli skyrmioni possono vivere in genere per più di un anno in questo materiale magnetico, il team ha seminato il film con ioni di gallio, introducendo difetti casuali che hanno ridotto la vita degli skyrmion. "Questo ci ha permesso di osservare l'intero ciclo di vita dello skyrmion, "Dice Shimojima. "Imita anche meglio i materiali imperfetti che verrebbero utilizzati nei pratici dispositivi basati su skyrmion".

Il team ha messo il film in un campo magnetico e lo ha studiato utilizzando un microscopio elettronico e due laser in grado di emettere impulsi di luce di nanosecondi. Il primo laser ha eccitato il campione per generare skyrmioni, prima che il secondo laser innescasse un'esplosione di elettroni nel microscopio per sondare gli skyrmioni.

Il primo impulso laser ha creato un lotto di skyrmion in un nanosecondo. Dopo circa 5 nanosecondi, questi skyrmion si sono contratti per formare forme circolari larghe circa 160 nanometri. Una volta che avevano 10 nanosecondi, gli skyrmion cominciarono a muoversi attraverso il materiale. A 100 nanosecondi, si raggrupparono in forme esagonali che sopravvissero per altri 200 nanosecondi circa, prima di allontanarsi nei microsecondi successivi. Infine, gli skyrmion cominciarono a fondersi l'uno con l'altro, muoiono circa 5 microsecondi dopo la loro nascita.

"Queste informazioni dovrebbero aiutarci a comprendere i fattori che potrebbero limitare le prestazioni dei dispositivi basati su skyrmion, " dice Shimojima. Gli esperimenti dimostrano anche come i difetti nei materiali magnetici potrebbero essere usati per controllare gli skyrmioni in tali dispositivi.

Il team ora spera di sviluppare dispositivi di memoria magnetica di prossima generazione sfruttando la loro nuova capacità di realizzare un controllo rapido e ripetibile degli skyrmioni.