Minúsculos redemoinhos magnéticos que podem ocorrer em materiais - os chamados skyrmions - prometem grandes dispositivos eletrônicos ou memória magnética em que são usados ​​como bits para armazenar informações. Um pré-requisito fundamental para qualquer aplicação é a estabilidade desses redemoinhos magnéticos. Uma equipe de pesquisa do Instituto de Física Teórica e Astrofísica da Universidade de Kiel demonstrou agora que as interações magnéticas até agora negligenciadas podem desempenhar um papel fundamental para a estabilidade do skyrmion e podem aumentar drasticamente a vida útil do skyrmion. Trabalho deles, que foi publicado hoje em Nature Communications , abre também a perspectiva de estabilizar skyrmions em novos sistemas materiais nos quais os mecanismos considerados anteriormente não são suficientes.

Pesquisa intensiva sobre estabilidade à temperatura ambiente

Sua estrutura magnética única - mais precisamente sua topologia - confere estabilidade aos skyrmions e os protege do colapso. Portanto, skyrmions são denotados como nós na magnetização. Contudo, na rede atômica de um sólido essa proteção é imperfeita e há apenas uma barreira de energia finita (Figura 1). “A situação é comparável a uma bola de gude deitada em uma cuba que, portanto, precisa de um certo ímpeto, energia, para escapar disso. Quanto maior a barreira de energia, quanto mais alta é a temperatura na qual o skyrmion é estável, "explica o professor Stefan Heinze da Kiel University. Especialmente skyrmions com diâmetros abaixo de 10 nanômetros, que são necessários para futuros dispositivos spineletrônicos, até agora só foram detectados em temperaturas muito baixas. Uma vez que as aplicações são normalmente feitas em temperatura ambiente, o aumento da barreira de energia é um objetivo chave na pesquisa atual sobre skyrmions.

Anteriormente, um modelo padrão das interações magnéticas relevantes que contribuem para a barreira foi estabelecido. Uma equipe de físicos teóricos do grupo de pesquisa do professor Stefan Heinze demonstrou agora que um tipo de interação magnética foi esquecido até agora. Na década de 1920, Werner Heisenberg poderia explicar a ocorrência de ferromagnetismo pela interação de troca mecânica quântica que resulta do "salto" dependente de spin de elétrons entre dois átomos. "Se considerarmos o elétron saltando entre mais átomos, ocorrem interações de troca de ordem superior, "diz o Dr. Souvik Paul, primeiro autor do estudo (Figura 2). Contudo, essas interações são muito mais fracas do que a troca de pares proposta por Heisenberg e, portanto, foram negligenciadas na pesquisa sobre skyrmions.

Fracas interações de troca de ordem superior estabilizam os skyrmions

Com base em simulações atomísticas e cálculos de mecânica quântica realizados nos supercomputadores da Aliança de Supercomputação da Alemanha do Norte (HLRN), os cientistas de Kiel explicaram agora que essas interações fracas ainda podem fornecer uma contribuição surpreendentemente grande para a estabilidade do skyrmion. Especialmente o salto cíclico sobre quatro sítios atômicos (ver setas vermelhas na Fig. 2) influencia a energia do estado de transição extraordinariamente forte (ver Fig. 1 ponto mais alto no canto superior direito), onde apenas alguns ímãs de barra atômica são inclinados um contra o outro. Até mesmo antiscyrmions estáveis ​​foram encontrados nas simulações que são vantajosos para alguns conceitos de armazenamento de dados futuros, mas normalmente decaem muito rápido.

Interações de troca de ordem superior aparecem em muitos materiais magnéticos usados ​​para aplicações potenciais de skyrmion, como cobalto ou ferro. Eles também podem estabilizar skyrmions em estruturas magnéticas nas quais as interações magnéticas anteriormente consideradas não podem ocorrer ou são muito pequenas. Portanto, o presente estudo abre novas rotas promissoras para a pesquisa sobre esses fascinantes nós magnéticos.