Uma década atrás, a descoberta de quasipartículas chamadas skyrmions magnéticos forneceu novas pistas importantes sobre como as texturas de spin microscópicas permitirão a spintrônica, uma nova classe de eletrônicos que usa a orientação do spin de um elétron em vez de sua carga para codificar dados.

Mas embora os cientistas tenham feito grandes avanços neste campo muito jovem, eles ainda não entendem totalmente como projetar materiais spintrônicos que permitiriam ultra-pequenos, ultra rápido, dispositivos de baixa potência. Skyrmions podem parecer promissores, mas os cientistas há muito tratam os skyrmions como meros objetos 2D. Estudos recentes, Contudo, sugeriram que skyrmions 2D poderiam realmente ser a gênese de um padrão de rotação 3D chamado hopfions. Mas ninguém foi capaz de provar experimentalmente que os hopfions magnéticos existem em nanoescala.

Agora, uma equipe de pesquisadores co-liderados pelo Berkeley Lab relatou em Nature Communications a primeira demonstração e observação de hopfions 3D emergindo de skyrmions em nanoescala (bilionésimos de metro) em um sistema magnético. Os pesquisadores dizem que sua descoberta representa um grande passo à frente na realização de alta densidade, alta velocidade, baixo consumo de energia, ainda dispositivos de memória magnética ultrastable que exploram o poder intrínseco do spin do elétron.

"Nós não apenas provamos que existem texturas de spin complexas, como hopfions 3D - também demonstramos como estudá-las e, portanto, aproveitá-las, "disse o co-autor sênior Peter Fischer, um cientista sênior na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, que também é professor adjunto de física na UC Santa Cruz. "Para entender como os hopfions realmente funcionam, temos que saber como fazê-los e estudá-los. Este trabalho só foi possível porque temos essas ferramentas incríveis no Berkeley Lab e nossas parcerias colaborativas com cientistas de todo o mundo, " ele disse.

De acordo com estudos anteriores, lúpulos, ao contrário de skyrmions, não se desviam quando se movem ao longo de um dispositivo e, portanto, são excelentes candidatos para tecnologias de dados. Além disso, os colaboradores da teoria no Reino Unido previram que os hopfions poderiam emergir de um sistema magnético 2D de várias camadas.

O estudo atual é o primeiro a colocar essas teorias em teste, Fischer disse.

Usando ferramentas de nanofabricação na Fundição Molecular do Berkeley Lab, Noah Kent, um Ph.D. estudante de física na UC Santa Cruz e no grupo de Fischer no Berkeley Lab, trabalhou com a equipe da Molecular Foundry para extrair nanopilares magnéticos de camadas de irídio, cobalto, e platina.

Os materiais em várias camadas foram preparados pelo acadêmico de pós-doutorado da UC Berkeley, Neal Reynolds, sob a supervisão da co-autora sênior Frances Hellman, que possui títulos de cientista sênior do corpo docente na Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab, e professor de física e ciência dos materiais e engenharia na UC Berkeley. Ela também lidera o programa de Materiais Magnéticos Sem Equilíbrio do Departamento de Energia (NEMM), que apoiou este estudo.

Hopfions e skyrmions são conhecidos por coexistirem em materiais magnéticos, mas eles têm um padrão de rotação característico em três dimensões. Então, para diferenciá-los, os pesquisadores usaram uma combinação de duas técnicas avançadas de microscopia magnética de raios-X - X-PEEM (microscopia eletrônica de fotoemissão de raios-X) nas instalações do usuário síncrotron do Berkeley Lab, a fonte de luz avançada; e microscopia magnética de transmissão de raios-X suave (MTXM) na ALBA, uma instalação de luz síncrotron em Barcelona, Espanha - para visualizar os padrões distintos de rotação de hopfions e skyrmions.

Para confirmar suas observações, os pesquisadores realizaram simulações detalhadas para imitar como skyrmions 2D dentro de um dispositivo magnético evoluem para hopfions 3D em estruturas de múltiplas camadas cuidadosamente projetadas, e como eles aparecerão quando visualizados por luz de raios-X polarizada.

"As simulações são uma parte extremamente importante deste processo, permitindo-nos compreender as imagens experimentais e projetar estruturas que apoiarão os hopfions, skyrmions, ou outras estruturas giratórias 3D projetadas, "Hellman disse.

Para entender como os hopfions funcionarão em um dispositivo, os pesquisadores planejam empregar as capacidades únicas do Berkeley Lab e as instalações de pesquisa de classe mundial - que Fischer descreve como "essenciais para a realização de tal trabalho interdisciplinar" - para estudar mais o comportamento dinâmico das quasipartículas quixóticas.

"Há muito tempo que sabemos que as texturas de spin são quase inevitavelmente tridimensionais, mesmo em filmes relativamente finos, mas a imagem direta tem sido experimentalmente desafiadora, "disse Hellman." As evidências aqui são empolgantes, e abre portas para encontrar e explorar estruturas de spin 3D ainda mais exóticas e potencialmente significativas. "