In natura, il movimento collettivo di alcuni uccelli e pesci, come rispettivamente stormi di storni e banchi di sardine, può generare fenomeni dinamici impressionanti. Il loro studio costituisce la scienza della materia attiva, che è stato un argomento di grande interesse negli ultimi tre decenni.
Le dinamiche collettive uniche della materia attiva sono governate dal movimento di ogni singola entità, dalle interazioni tra di loro e dalla loro interazione con l'ambiente.
Studi recenti mostrano che alcune molecole e batteri semoventi mostrano un movimento circolare con una chiralità fissa (la proprietà di un oggetto per cui non può essere sovrapposto alla sua immagine speculare attraverso un numero qualsiasi di rotazioni o traslazioni), che può consentire la selezione di molecole e batteri con chiralità specifica in base alla loro dinamica. Tuttavia, manca la ricerca sugli oggetti simili alla materia attiva nei materiali magnetici e ferroelettrici non biologici per applicazioni in dispositivi elettronici.
A questo proposito, gli skyrmion chirali sono promettenti. Sono un tipo speciale di strutture di spin nei materiali magnetici con interazioni di scambio asimmetriche, che possono essere trattate come quasi-particelle. Portano cariche topologiche intere e hanno una chiralità fissa di +1 o -1.
Recentemente, un gruppo di scienziati, guidato dal professor Masahito Mochizuki del Dipartimento di fisica applicata dell’Università di Waseda e comprendente il dottor Xichao Zhang dell’Università di Waseda e il professor Xiaoxi Liu dell’Università di Shinshu, ha studiato approfonditamente i comportamenti della materia attiva degli skyrmioni chirali. Il loro articolo è pubblicato sulla rivista Nano Letters .
In questo studio, gli scienziati hanno posizionato skyrmion chirali all'interno di ostacoli nanostrutturali chirali a forma di semplice fiore chirale. Hanno poi studiato le dinamiche di cammino casuale dello skyrmion attivato termicamente che interagisce con l'ostacolo chirale a forma di fiore in uno strato ferromagnetico, che potrebbe creare risultati dipendenti dalla topologia.
"La nostra ricerca dimostra per la prima volta che gli skyrmion chirali magnetici mostrano comportamenti attivi simili alla materia anche se sono di origine non biologica e hanno anche schemi spaziali semplicemente intangibili", afferma il Prof. Mochizuki.
Lo skyrmion con una chiralità pari a -1 ha il potenziale per lasciare un fiore chirale sinistro, e lo skyrmion con una chiralità pari a +1 ha il potenziale per lasciare un fiore chirale destro. I ricercatori hanno condotto una serie di simulazioni per osservare come si comporterebbero gli skyrmion in entrambi i casi a temperature diverse:100 K, 150 K, 180 K e 200 K.
Hanno impostato il tempo di simulazione su 500 ns, con un passo temporale di 0,5 ns. Il team ha scoperto che, a seconda della combinazione di variabili, lo skyrmion rimane all'interno dell'ostacolo o lo sfugge. Poiché il movimento dello skyrmion è dovuto al moto browniano dipendente dalla temperatura, che è di natura disordinata, questo è un caso interessante in cui si ottiene un risultato ordinato attraverso un movimento disordinato. In particolare, questo sistema può essere utilizzato per sviluppare un dispositivo di smistamento topologico.
Alla domanda sulle implicazioni a lungo termine del loro lavoro, il prof. Liu osserva:"I risultati della nostra ricerca potrebbero essere utili per costruire futuri dispositivi informatici e di elaborazione delle informazioni con un'elevata densità di archiviazione e un basso consumo energetico."
"A lungo termine, potrebbero fornire linee guida per la progettazione e lo sviluppo di hardware elettronico e spintronico non convenzionale, in cui l'informazione è trasportata da trame di spin topologiche in nanostrutture. Si prevede che questo risultato migliorerà la vita delle persone così come sarebbero in grado di farlo. elaborare le informazioni in modo efficiente dal punto di vista energetico, portando a una società più verde", conclude il dottor Zhang.
Ulteriori informazioni: Xichao Zhang et al, Chiral Skyrmions che interagiscono con i fiori chirali, Nano lettere (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c03792
Informazioni sul giornale: Nanolettere
Fornito dall'Università Waseda
