Para muitas aplicações técnicas modernas, como fios supercondutores para imagens de ressonância magnética, os engenheiros desejam, tanto quanto possível, se livrar da resistência elétrica e da produção de calor que a acompanha.

Acontece que, Contudo, que um pouco de produção de calor a partir da resistência é uma característica desejável em filmes finos metálicos para aplicações spintrônicas, como memória de computador de estado sólido. De forma similar, enquanto os defeitos são frequentemente indesejáveis ​​na ciência dos materiais, eles podem ser usados ​​para controlar a criação de quase-partículas magnéticas conhecidas como skyrmions.

Em artigos separados publicados este mês nas revistas Nature Nanotechnology e Materiais avançados , pesquisadores do grupo do MIT Professor Geoffrey S.D. Beach e colegas na Califórnia, Alemanha, Suíça, e Coréia, mostraram que eles podem gerar skyrmions estáveis ​​e de movimento rápido em materiais em camadas especialmente formulados em temperatura ambiente, estabelecendo recordes mundiais de tamanho e velocidade. Cada artigo foi destaque na capa de seu respectivo periódico.

Para a pesquisa publicada em Materiais avançados , os pesquisadores criaram um fio que empilha 15 camadas repetidas de uma liga de metal especialmente fabricada feita de platina, que é um metal pesado, cobalto-ferro-boro, que é um material magnético, e magnésio-oxigênio. Nestes materiais em camadas, a interface entre a camada de metal de platina e cobalto-ferro-boro cria um ambiente no qual skyrmions podem ser formados pela aplicação de um campo magnético externo perpendicular ao filme e pulsos de corrente elétrica que viajam ao longo do comprimento do fio.

Notavelmente, sob um campo de 20 miliTesla, uma medida da força do campo magnético, o fio forma skyrmions à temperatura ambiente. Em temperaturas acima de 349 kelvins (168 graus Fahrenheit), os skyrmions se formam sem um campo magnético externo, um efeito causado pelo aquecimento do material, e os skyrmions permanecem estáveis ​​mesmo depois que o material é resfriado de volta à temperatura ambiente. Anteriormente, resultados como este foram vistos apenas em baixa temperatura e com grandes campos magnéticos aplicados, Beach diz.

Estrutura previsível

"Depois de desenvolver uma série de ferramentas teóricas, agora podemos não apenas prever a estrutura e o tamanho do skyrmion interno, mas também podemos resolver um problema de engenharia reversa, nós podemos dizer, por exemplo, queremos ter um skyrmion desse tamanho, e seremos capazes de gerar multicamadas, ou o material, parâmetros, isso levaria ao tamanho desse skyrmion, "diz Ivan Lemesh, primeiro autor do artigo de Materiais Avançados e aluno de pós-graduação em ciência e engenharia de materiais no MIT. Os co-autores incluem o autor sênior Beach e 17 outros.

Uma característica fundamental dos elétrons é seu spin, que aponta para cima ou para baixo. Um skyrmion é um aglomerado circular de elétrons cujos spins são opostos à orientação dos elétrons circundantes, e os skyrmions mantêm uma direção no sentido horário ou anti-horário.

"Contudo, além disso, também descobrimos que skyrmions em multicamadas magnéticas desenvolvem uma natureza torcida dependente de espessura complexa, "Lemesh disse durante uma apresentação sobre seu trabalho na reunião de outono da Sociedade de Pesquisa de Materiais (MRS) em Boston em 30 de novembro. Essas descobertas foram publicadas em um estudo teórico separado em Revisão Física B em setembro.

A pesquisa atual mostra que, embora esta estrutura torcida de skyrmions tenha um impacto menor na capacidade de calcular o tamanho médio do skyrmion, afeta significativamente seu comportamento induzido pela corrente.

Limites fundamentais

Para o artigo da Nature Nanotechnology, os pesquisadores estudaram um material magnético diferente, camada de platina com uma camada magnética de uma liga de gadolínio-cobalto, e óxido de tântalo. Neste material, os pesquisadores mostraram que podiam produzir skyrmions tão pequenos quanto 10 nanômetros e estabeleceram que podiam se mover em alta velocidade no material.

"O que descobrimos neste artigo é que os ferromagnetos têm limites fundamentais para o tamanho da quase-partícula que você pode fazer e quão rápido você pode conduzi-los usando correntes, "diz o primeiro autor Lucas Caretta, um estudante de pós-graduação em ciência de materiais e engenharia.

Em um ferromagneto, como cobalto-ferro-boro, spins vizinhos são alinhados paralelamente uns aos outros e desenvolvem um forte momento magnético direcional. Para superar os limites fundamentais dos ferromagnetos, os pesquisadores se voltaram para o gadolínio-cobalto, que é um ferriímã, em que os spins vizinhos se alternam para cima e para baixo, de modo que possam se cancelar mutuamente e resultar em um momento magnético zero geral.

"Pode-se projetar um ferriímã de modo que a magnetização líquida seja zero, permitindo texturas giratórias ultrapequenas, ou ajuste-o de forma que o momento angular líquido seja zero, permitindo texturas de rotação ultrarrápidas. Essas propriedades podem ser projetadas pela composição do material ou temperatura, "Caretta explica.

Em 2017, pesquisadores do grupo de Beach e seus colaboradores demonstraram experimentalmente que poderiam criar essas quase-partículas à vontade em locais específicos, introduzindo um tipo específico de defeito na camada magnética.

"Você pode alterar as propriedades de um material usando diferentes técnicas locais, como o bombardeio de íons, por exemplo, e ao fazer isso você altera suas propriedades magnéticas, "Lemesh diz, "e então se você injetar uma corrente no fio, o skyrmion nascerá naquele local. "

Caretta acrescenta:"Foi originalmente descoberto com defeitos naturais no material, em seguida, eles se tornaram defeitos de engenharia por meio da geometria do fio. "

Eles usaram esse método para criar skyrmions no novo artigo da Nature Nanotechnology.

Os pesquisadores fizeram imagens dos skyrmions na mistura de cobalto-gadolínio em temperatura ambiente em centros síncrotron na Alemanha, usando holografia de raios-X. Felix Büttner, um pós-doutorado no laboratório de praia, foi um dos desenvolvedores desta técnica de holografia de raios-X. "É uma das únicas técnicas que podem permitir imagens altamente resolvidas em que você distingue skyrmions desse tamanho, "Caretta diz.

Esses skyrmions são tão pequenos quanto 10 nanômetros, que é o atual recorde mundial para disparos de temperatura ambiente. Os pesquisadores demonstraram o movimento atual da parede do domínio de 1,3 quilômetros por segundo, usando um mecanismo que também pode ser usado para mover skyrmions, que também estabelece um novo recorde mundial.

Exceto pelo trabalho do síncrotron, toda a pesquisa foi feita no MIT. "Nós cultivamos os materiais, fazer a fabricação e caracterizar os materiais aqui no MIT, "Caretta diz.

Modelagem magnética

Esses skyrmions são um tipo de configuração de spin de spins de elétrons nesses materiais, enquanto as paredes de domínio são outra. As paredes de domínio são o limite entre domínios de orientação de spin oposta. No campo da spintrônica, essas configurações são conhecidas como solitons, ou girar texturas. Uma vez que skyrmions são uma propriedade fundamental dos materiais, a caracterização matemática de sua energia de formação e movimento envolve um complexo conjunto de equações que incorporam seu tamanho circular, momento angular de rotação, momento angular orbital, carga eletronica, força magnética, espessura da camada, e vários termos físicos especiais que capturam a energia das interações entre spins vizinhos e camadas vizinhas, como a interação de troca.

Uma dessas interações, que é chamada de interação Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), tem um significado especial para a formação de skyrmions e surge da interação entre os elétrons na camada de platina e na camada magnética. Na interação Dzyaloshinskii-Moriya, os spins se alinham perpendiculares entre si, que estabiliza o skyrmion, Lemesh diz. A interação DMI permite que esses skyrmions sejam topológicos, dando origem a fenômenos físicos fascinantes, tornando-os estáveis, e permitindo que eles sejam movidos com uma corrente.

"A própria platina é o que fornece o que é chamado de corrente de spin, que aciona as texturas de spin em movimento, "Caretta diz." A corrente de spin fornece um torque na magnetização do ferro ou ferriímã adjacente a ele, e esse torque é o que, em última análise, causa o movimento da textura de giro. Basicamente, estamos usando materiais simples para realizar fenômenos complicados em interfaces. "

Em ambos os jornais, os pesquisadores realizaram uma mistura de cálculos micromagnéticos e atomísticos de spin para determinar a energia necessária para formar skyrmions e movê-los.

"Acontece que, mudando a fração de uma camada magnética, você pode alterar as propriedades magnéticas médias de todo o sistema, então agora não precisamos ir para um material diferente para gerar outras propriedades, "Lemesh diz." Você pode simplesmente diluir a camada magnética com uma camada espaçadora de espessura diferente, e você vai acabar com diferentes propriedades magnéticas, e isso lhe dá um número infinito de oportunidades para fabricar seu sistema. "

Controle preciso

"O controle preciso da criação de skyrmions magnéticos é um tópico central do campo, "diz Jiadong Zang, um professor assistente de física da Universidade de New Hampshire, que não estava envolvido nesta pesquisa, sobre a Materiais avançados papel. "Este trabalho apresentou uma nova maneira de gerar skyrmions de campo zero via pulso de corrente. Este é definitivamente um passo sólido em direção às manipulações de skyrmion em regime de nanossegundos."

Comentando sobre o Nature Nanotechnology relatório, Christopher Marrows, um professor de física da matéria condensada da Universidade de Leeds, no Reino Unido, afirma:"O fato de os skyrmions serem tão pequenos, mas poderem ser estabilizados em temperatura ambiente, torna isso muito significativo."

Medulas, que também não esteve envolvido nesta pesquisa, observou que o grupo Beach previu disparadas de temperatura ambiente em um Relatórios Científicos papel no início deste ano e disse que os novos resultados são um trabalho da mais alta qualidade. "Mas eles fizeram a previsão e a vida real nem sempre corresponde às expectativas teóricas, então eles merecem todo o crédito por esta descoberta, "Medula diz.

Zang, comentando sobre o Nature Nanotechnology papel, acrescenta:"Um gargalo do estudo do skyrmion é atingir um tamanho inferior a 20 nanômetros [o tamanho da unidade de memória de última geração], e impulsionar seu movimento com velocidade além de um quilômetro por segundo. Ambos os desafios foram enfrentados neste trabalho seminal.

"Uma inovação importante é usar o ímã-ferrão, em vez do ferromagneto comumente usado, para hospedar skyrmions, "Zang diz." Este trabalho estimula muito o design de dispositivos lógicos e de memória baseados em skyrmion. Este é definitivamente um papel estrela no campo do skyrmion. "

Sistemas de autódromo

Dispositivos de estado sólido construídos sobre esses skyrmions podem algum dia substituir os atuais discos rígidos de armazenamento magnético. Fluxos de skyrmions magnéticos podem atuar como bits para aplicativos de computador. “Nestes materiais, podemos facilmente padronizar trilhas magnéticas, “Disse Beach durante apresentação na MRS.

Essas novas descobertas podem ser aplicadas a dispositivos de memória racetrack, que foram desenvolvidos por Stuart Parkin na IBM. A chave para a engenharia desses materiais para uso em dispositivos de pista de corrida é a engenharia de defeitos deliberados no material onde skyrmions podem se formar, porque os skyrmions se formam onde há defeitos no material.

"Pode-se projetar colocando entalhes neste tipo de sistema, "disse Beach, que também é codiretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais (MRL) do MIT. Um pulso de corrente injetado no material forma os skyrmions em um entalhe. "O mesmo pulso atual pode ser usado para escrever e excluir, "disse ele. Esses skyrmions se formam com extrema rapidez, em menos de um bilionésimo de segundo, Beach diz.

Diz Caretta:"Para ser capaz de ter uma lógica operacional prática ou dispositivo de corrida de memória, você tem que escrever a parte, então é sobre isso que falamos na criação da quase partícula magnética, e você tem que ter certeza de que a parte escrita é muito pequena e você tem que traduzir essa parte através do material em um ritmo muito rápido, "Caretta diz.

Medulas, o professor de Leeds, acrescenta:"Aplicações em spintrônica baseada em skyrmion, vai se beneficiar, embora seja um pouco cedo para dizer com certeza quais serão os vencedores entre as várias propostas, que incluem memórias, dispositivos lógicos, osciladores e dispositivos neuromórficos, "

Um desafio restante é a melhor maneira de ler esses bits do skyrmion. O grupo de trabalho na Praia continua nesta área, Lemesh diz, observando que o desafio atual é descobrir uma maneira de detectar esses skyrmions eletricamente para usá-los em computadores ou telefones.

"Sim, então você não precisa levar seu telefone a um síncrotron para ler um pouco, "Caretta diz." Como resultado de alguns dos trabalhos realizados em ferriímãs e sistemas semelhantes chamados anti-ferromagnetos, Acho que a maior parte do campo realmente começará a se deslocar em direção a esses tipos de materiais devido à grande promessa que eles representam. "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.