Gli skyrmioni magnetici sono vortici di magnetizzazione estremamente piccoli e stabili, spesso indicati come "quasi-particelle topologiche" poiché una stabilità emergente abbraccia questo insieme di spin. In quanto tali, gli skyrmion possono essere manipolati mantenendo la loro forma. Nei film sottili ferromagnetici, possono essere convenientemente creati con un impulso di corrente elettrica o, ancora più velocemente, con un impulso laser, anche se, finora, solo in posizioni casuali nel materiale. Gli Skyrmion sono scientificamente interessanti da due punti di vista:da un lato, gli Skyrmion magnetici sono concepiti come vettori di informazioni nella futura tecnologia dell'informazione. D'altra parte, gli skyrmion in sottili film magnetici possono fungere da banco di prova ideale per studiare la dinamica di quasi-particelle magnetiche topologicamente non banali.

Tuttavia, per fare progressi in questo campo, è necessaria una generazione affidabile dello skyrmion magnetico in posizioni controllate. Un team di ricercatori, guidato dal Max Born Institute, ha ora ottenuto il pieno controllo su scala nanometrica della generazione di skyrmion mediante due approcci indipendenti che utilizzano He ⁺ -irradiazione ionica o utilizzo di maschere riflettenti sul retro.

Negli ultimi anni sono stati riportati grandi progressi nella generazione, annientamento e spostamento di skyrmioni magnetici in film sottili magnetici. Uno strumento fondamentale per studiare queste strutture magnetiche su scala da nanometrica a micrometrica è quello di immaginarle direttamente, con la luce visibile o con i raggi X. Se vogliamo studiare le proprietà dinamiche insieme alle caratteristiche spaziali, dobbiamo registrare un filmato composto da molti fotogrammi di immagine. Tuttavia, la registrazione diretta di un film Skyrmion su scale temporali rilevanti di nanosecondi o addirittura picosecondi è difficilmente possibile:il tempo di acquisizione richiesto per un singolo fotogramma è in genere troppo lungo.

Questo problema viene comunemente risolto impiegando misurazioni stroboscopiche ripetitive, i cosiddetti "esperimenti pompa-sonda", in cui lo stesso processo viene ripetuto più e più volte durante l'acquisizione di immagini. Per consentire tali misurazioni risolte nel tempo, la dinamica dello skyrmion magnetico deve essere controllabile e deterministica. Un team di ricercatori guidato dal Max Born Institute ha ora stabilito due metodi per creare in modo affidabile skyrmion nelle posizioni desiderate e per guidarne il movimento, passaggi essenziali per la registrazione di video di skyrmion in movimento.

Un primo metodo si basa sull'irradiazione del film magnetico che ospita gli skyrmion con un raggio focalizzato di ioni di elio per creare in modo flessibile modelli di diverse forme e dimensioni nel materiale magnetico. È importante sottolineare che questa modifica locale con ioni molto leggeri influisce solo sulle proprietà magnetiche del materiale mentre il film rimane strutturalmente intatto. Impiegando ioni elio, è possibile predefinire le posizioni in cui compaiono gli skyrmion dopo averne innescato la creazione con un breve impulso di corrente elettrica o luce laser (vedi Fig. 1, dove gli skyrmion sono nucleati in due file di punti isolati).

In particolare, la modifica magnetica risulta essere abbastanza delicata da consentire persino un distacco controllato dello skyrmion dal suo sito di generazione e il suo successivo movimento senza ostacoli. Inoltre, combinando un tale sito di creazione di skyrmion con un canale guida, il team è stato in grado di mostrare il movimento continuo di uno skyrmion magnetico guidato da impulsi di corrente elettrica per decine di micrometri avanti e indietro nel cosiddetto circuito magnetico, eliminando completamente qualsiasi effetto indesiderato movimento laterale, che è intrinseco agli skyrmion guidati dalla corrente.

In un secondo approccio per predefinire i siti di nucleazione di Skymion, i ricercatori hanno progettato maschere riflettenti con nanomodelli sul retro del materiale magnetico. Queste maschere consentono di controllare le ampiezze di eccitazione raggiunte quando si colpisce la pellicola magnetica con un laser, ottenendo una precisione su scala nanometrica sulla distribuzione spaziale degli skyrmioni magnetici creati (vedi Fig. 1, dove gli skyrmioni sono nucleati su una griglia quadrata).

Poiché le maschere sono preparate sul retro della pellicola magnetica opposta alla superficie illuminata dal laser, l'approccio mantiene libero accesso frontale alla pellicola magnetica per, ad esempio, il rilevamento degli skyrmion. L'applicazione di questo approccio alla maschera posteriore con il suo accesso senza ostacoli alla pellicola magnetica può essere facilmente trasferita ad altri fenomeni di commutazione fotoindotti per aggiungere un controllo nanometrico sulle aree commutate.

I risultati di questi studi, pubblicati in Nano Letters e Revisione fisica B , può anche avere un impatto sulla ricerca sui nuovi concetti di elaborazione e archiviazione dei dati. Negli ultimi decenni, abbiamo osservato una richiesta di densità di archiviazione dati sempre maggiori e capacità di calcolo efficienti, evocando un enorme interesse industriale nell'esplorazione degli effetti magnetici che sono attivi su scale ultraveloci e ultrapiccole per applicazioni tecnologiche. Un possibile candidato come vettore di informazioni di prossima generazione è lo skyrmion magnetico. Con il livello di controllo raggiunto per la generazione e il movimento di Skyrmion e il potenziale per un'ulteriore miniaturizzazione, la tecnologia potrebbe alla fine aprire la strada a possibili dispositivi futuri, come le memorie dei circuiti Skyrmion, i registri di scorrimento e le porte logiche di Skyrmion. + Esplora ulteriormente

Manipolazione deterministicamente integrata di skyrmioni magnetici ottenuta in un dispositivo nanostrutturato