As interações magnéticas entre átomos em escalas de minuto podem criar estados únicos, como skyrmions. Skyrmions têm propriedades especiais e podem existir em certos sistemas materiais, como uma 'pilha' de diferentes camadas de metal de espessura sub-nanométrica. A moderna tecnologia de computador baseada em skyrmions - que têm apenas alguns nanômetros de tamanho - promete permitir uma forma extremamente compacta e ultrarrápida de armazenamento e processamento de dados.

Como um exemplo, um conceito para armazenamento de dados com skyrmions poderia ser que os bits 1 e 0 são representados pela presença e ausência de um determinado skyrmion. Esse conceito poderia, portanto, ser usado em memórias de 'pista de corrida'. Contudo, é um pré-requisito que a distância entre o skyrmion para o valor 1 e o gap de skyrmion para o valor 0 permaneça constante ao se mover durante o transporte de dados, caso contrário, podem ocorrer grandes erros.

Como uma alternativa melhor, skyrmions com tamanhos diferentes podem ser usados ​​para a representação de 0 e 1. Eles podem então ser transportados como pérolas em um cordão, sem que as distâncias entre as pérolas desempenhem um grande papel. A existência de dois tipos diferentes de skyrmions (skyrmion e skyrmion bobber) foi até agora prevista apenas teoricamente e só foi demonstrada experimentalmente em um material monocristalino especialmente cultivado. Nestes experimentos, Contudo, os skyrmions existem apenas em temperaturas extremamente baixas. Essas limitações tornam este material inadequado para aplicações práticas.

O grupo de pesquisa liderado por Hans Josef Hug da Empa agora conseguiu resolver este problema:"Nós produzimos um sistema multicamadas que consiste em vários ferromagnéticos de espessura sub-nanométrica, camadas de metais nobres e de terras raras, em que dois estados diferentes de skyrmion podem coexistir em temperatura ambiente, ", disse Hug. Sua equipe estava estudando as propriedades do skyrmion em sistemas de multicamadas ferromagnéticos ultrafinos usando o microscópio de força magnética que desenvolveram na Empa. Para seus últimos experimentos, eles fabricaram camadas de material feitas dos seguintes metais:irídio (Ir), ferro (Fe), cobalto (Co), platina (Pt) e os metais de terras raras térbio (Tb) e gadolínio (Gd).

Entre as duas multicamadas ferromagnéticas que geram skyrmions - em que a combinação de camadas Ir / Fe / Co / Pt é sobreposta cinco vezes - os pesquisadores inseriram uma multicamada ferrimagnética consistindo em uma camada de liga TbGd e uma camada de Co. A característica especial dessa camada é que ela não pode gerar skyrmions por conta própria. As duas camadas externas, por outro lado, gerar skyrmions em grandes números.

Os pesquisadores ajustaram a proporção de mistura dos dois metais Tb e Gd e as espessuras das camadas TbGd e Co na camada central de tal forma que suas propriedades magnéticas podem ser influenciadas pelas camadas externas:as camadas ferromagnéticas "forçam" skyrmions para dentro a camada ferrimagnética central. Isso resulta em um sistema multicamadas onde existem dois tipos diferentes de skyrmions.

Evidência experimental e teórica

Os dois tipos de skyrmions podem ser facilmente distinguidos um do outro com o microscópio de força magnética devido aos seus diferentes tamanhos e intensidades. O maior skyrmion, que também cria um campo magnético mais forte, penetra em todo o sistema multicamadas, ou seja, também a multicamada ferrimagnética intermediária. O menor, skyrmion mais fraco, por outro lado, só existe nas duas multicamadas externas. Este é o grande significado dos resultados mais recentes no que diz respeito a um possível uso de skyrmions no processamento de dados:se os dados binários - 0 e 1 - forem armazenados e lidos, eles devem ser claramente distinguíveis, o que seria possível aqui por meio dos dois tipos diferentes de skyrmions.

Usando o microscópio de força magnética, partes individuais dessas multicamadas foram comparadas umas com as outras. Isso permitiu que a equipe de Hug determinasse em quais camadas os diferentes skyrmions ocorrem. Além disso, simulações micromagnéticas de computador confirmaram os resultados experimentais. Essas simulações foram realizadas em colaboração com teóricos das universidades de Viena e Messina.

Pesquisador da Empa Andrada-Oana Mandru, o primeiro autor do estudo, espera que um grande desafio para as aplicações práticas tenha sido superado:"As multicamadas que desenvolvemos usando a tecnologia de pulverização catódica podem, em princípio, ser produzidas em escala industrial, "disse ela. Além disso, sistemas semelhantes poderiam ser usados ​​no futuro para construir dispositivos de armazenamento de dados tridimensionais com densidade de armazenamento ainda maior. A equipe publicou recentemente seu trabalho na renomada revista. Nature Communications .

Memória da pista de corrida

O conceito de tal memória foi desenvolvido em 2004 na IBM. Consiste em escrever informações em um lugar por meio de domínios magnéticos - ou seja, áreas alinhadas magneticamente - e então movendo-as rapidamente dentro do dispositivo por meio de correntes. Um bit corresponde a esse domínio magnético. Esta tarefa pode ser realizada por um skyrmion, por exemplo. O material portador dessas unidades de informação magnética são nanofios, que são mais de mil vezes mais finos do que um cabelo humano e, portanto, prometem uma forma extremamente compacta de armazenamento de dados. O transporte de dados ao longo dos fios também funciona extremamente rápido, cerca de 100, 000 vezes mais rápido do que em uma memória flash convencional e com um consumo de energia muito menor.