Os cientistas da EPFL produziram skyrmions estáveis ​​controláveis ​​usando pulsos de laser, dando um passo em direção a dispositivos de memória com maior eficiência energética. O trabalho é publicado em Cartas de revisão física .

Um skyrmion é uma coleção de spins de elétrons que se parecem com um vórtice em certos materiais magnéticos. Skyrmions podem existir individualmente ou em padrões conhecidos como reticulados. Nomeado após o físico britânico Tony Skyrme, que primeiro teorizou a existência de suas contrapartes de partículas elementares em 1962, skyrmions têm chamado a atenção por seu potencial em serem usados ​​nos chamados dispositivos "spintrônicos", que usaria o spin em vez da carga dos elétrons, tornando-se assim significativamente mais miniaturizado e eficiente em termos de energia.

O maior interesse tem se concentrado em tecnologias de armazenamento de memória. Skyrmions podem ser bastante estáveis ​​e requerem muito pouca energia para escrevê-los ou apagá-los:alguns estudos mostraram que criar e aniquilar skyrmions pode ser quase 10, 000 vezes mais eficiência energética do que os dispositivos convencionais de armazenamento de dados. Contudo, isso exigiria uma maneira rápida e confiável de controlar e manipular skyrmions individuais.

Agora, os laboratórios de Fabrizio Carbone e Henrik M. Rønnow na EPFL foram capazes de escrever e apagar skyrmions estáveis ​​usando pulsos de laser. Os cientistas usaram uma liga de ferro-germânio, que pode hospedar skyrmions em cerca de 0oC, não muito longe da temperatura ambiente. Isso é importante por si só, já que muitos desses experimentos fundamentais geralmente ocorrem em temperaturas muito baixas para serem comercialmente significativos.

Os pesquisadores aproveitaram o efeito de super-resfriamento que se segue a um salto de temperatura ultrarrápido, que é induzida na liga por um pulso de laser ultracurto. Durante o super-resfriamento, skyrmions podem ser congelados em lugares onde não ocorreriam em condições de equilíbrio convencionais.

Os skyrmions em formação foram fotografados usando microscopia eletrônica de Lorentz criogênica resolvida no tempo, que pode "ver" estruturas de domínio magnético e mecanismos de reversão de magnetização no espaço real e em tempo real. Esta técnica é uma evolução da microscopia crioeletrônica estática, pelo qual Jacques Dubochet ganhou o Prêmio Nobel de Química em 2017.

"O que fizemos foi aplicar um pulso de laser à liga enquanto ela era mantida em uma temperatura e um campo magnético externo que normalmente proíbe o aparecimento de skyrmions, "diz Fabrizio Carbone." Skyrmions individuais foram vistos aparecendo perto das bordas da amostra a cada clarão de luz. Além disso, uma vez que os skyrmions foram estabelecidos, ajustando os parâmetros próximos à transição entre ter os skyrmions e não tê-los mais, pulsos de laser podem ser usados ​​para apagá-los por meio de desmagnetização induzida por aquecimento local. "

Os pesquisadores foram capazes de escrever e apagar skyrmions na liga dentro de algumas centenas de nanossegundos a alguns microssegundos. Contudo, os resultados também sugerem rotas para projetar as taxas de super-resfriamento para controle mais rápido dos skyrmions, até picossegundos.

"As barreiras de energia para manipular skyrmions podem ser muito pequenas, "diz Carbone." Isso significa que, se este fosse um dispositivo de armazenamento de memória, o consumo de energia estimado por nossos experimentos, em que as propriedades da luz ainda não foram adaptadas para otimizar este parâmetro, está na região de femto-Joules (quadrilionésimos de Joule) por bit, já comparáveis ​​aos protótipos mais eficientes em termos de energia disponíveis. "

Apesar de ser um estudo de prova de princípio, os pesquisadores não resistiram a pensar em termos de aplicações. "Na verdade, calculamos a energia necessária, sem qualquer otimização em nosso experimento, "diz Carbone." E descobrimos que já estava no nível do dispositivo de armazenamento de dados com menor consumo de energia até hoje. Se implementado em dispositivos, isso significaria algo como a bateria do seu laptop durando cerca de um mês antes de precisar ser carregada. "