Uma equipe de cientistas liderada pelo professor associado Yang Hyunsoo do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Faculdade de Engenharia da Universidade Nacional de Cingapura (NUS) inventou um novo filme multicamadas ultrafino que poderia aproveitar as propriedades de minúsculos redemoinhos magnéticos, conhecido como skyrmions, como suportes de informação para armazenamento e processamento de dados em mídia magnética.

O filme fino de tamanho nano, que foi desenvolvido em colaboração com pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven, Stony Brook University, e Louisiana State University, é uma etapa crítica em direção ao design de dispositivos de armazenamento de dados que usam menos energia e funcionam mais rápido do que as tecnologias de memória existentes. A invenção foi relatada em prestigiosa revista científica Nature Communications em 10 de março de 2017.

Minúsculos redemoinhos magnéticos com enorme potencial como transportadores de informações

A transformação digital resultou em demandas cada vez maiores por melhor processamento e armazenamento de grandes quantidades de dados, bem como melhorias na tecnologia de disco rígido. Desde sua descoberta em materiais magnéticos em 2009, skyrmions, que são pequenas texturas magnéticas giratórias com apenas alguns nanômetros de tamanho, têm sido amplamente estudados como possíveis portadores de informações em dispositivos lógicos e de armazenamento de dados de última geração.

Foi demonstrado que skyrmions existem em sistemas em camadas, com um metal pesado colocado sob um material ferromagnético. Devido à interação entre os diferentes materiais, uma interação de quebra de simetria interfacial, conhecido como interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), é formado, e isso ajuda a estabilizar um skyrmion. Contudo, sem um campo magnético fora do plano presente, a estabilidade do skyrmion está comprometida. Além disso, devido ao seu tamanho minúsculo, é difícil imaginar os materiais de tamanho nano.

Para lidar com essas limitações, os pesquisadores trabalharam para criar skyrmions magnéticos estáveis ​​em temperatura ambiente sem a necessidade de um campo magnético de polarização.

Material exclusivo para armazenamento de dados

A equipe NUS, que também inclui o Dr. Shawn Pollard e a Sra. Yu Jiawei do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação do NUS, descobriram que um grande DMI poderia ser mantido em filmes multicamadas compostos de cobalto e paládio, e isso é grande o suficiente para estabilizar as texturas de rotação do skyrmion.

A fim de obter imagens da estrutura magnética desses filmes, os pesquisadores NUS, em colaboração com o Laboratório Nacional de Brookhaven nos Estados Unidos, empregou microscopia eletrônica de transmissão de Lorentz (L-TEM). L-TEM tem a capacidade de criar imagens de estruturas magnéticas abaixo de 10 nanômetros, mas não foi usado para observar skyrmions em geometrias de multicamadas anteriormente, pois foi previsto exibir sinal zero. Contudo, ao conduzir os experimentos, os pesquisadores descobriram que ao inclinar os filmes em relação ao feixe de elétrons, eles descobriram que podiam obter um contraste claro consistente com o esperado para skyrmions, com tamanhos abaixo de 100 nanômetros.

Dr. Pollard explicou, "Há muito se supõe que não há DMI em uma estrutura simétrica como a que está presente em nosso trabalho, portanto, não haverá skyrmion. É realmente inesperado para nós encontrarmos grandes DMI e skyrmions no filme multicamadas que projetamos. O que mais, esses skyrmions em nanoescala persistiram mesmo após a remoção de um campo magnético de polarização externo, que são os primeiros de sua espécie. "

Assoc Prof Yang acrescentou, "Este experimento não apenas demonstra a utilidade do L-TEM no estudo desses sistemas, mas também abre um material completamente novo no qual skyrmions podem ser criados. Sem a necessidade de um campo de polarização, o projeto e a implementação de dispositivos baseados em skyrmion são significativamente simplificados. O pequeno tamanho dos skyrmions, combinada com a incrível estabilidade gerada aqui, pode ser potencialmente útil para o projeto de dispositivos spintrônicos de próxima geração que são eficientes em termos de energia e podem superar as tecnologias de memória atuais. "