Skyrmions - minúsculos redemoinhos magnéticos que aparecem em certas combinações de materiais - são considerados portadores de informações promissores para armazenamento futuro de dados. Uma equipe de pesquisa da RWTH Aachen University, Kiel University, e a Universidade da Islândia descobriu que esses nano nós magnéticos se desatam de duas maneiras distintas. Usando um campo magnético, a probabilidade de sucesso na desvinculação pode ser variada por até um fator de 10, 000. Este insight pode ser inovador para o futuro processamento de informações com skyrmions. A pesquisa já foi publicada em Física da Natureza .

Os nano-nós magnéticos codificam informações por sua presença ou ausência. As principais vantagens dos nós são que eles são extremamente estáveis, apenas alguns nanômetros de tamanho, existe à temperatura ambiente, e pode ser movido por correntes muito pequenas. Devido às pequenas correntes, a formação é lida e escrita de uma forma muito eficiente em termos de energia. Em princípio, skyrmions também podem ser usados ​​para processamento de dados, de modo que o processamento e o armazenamento possam ser combinados em uma única estrutura. Isso tornaria os computadores mais compactos e, mais importante, mais eficiente em termos de energia. Com base nessas características muito promissoras, pesquisadores em todo o mundo estão se esforçando para otimizar as propriedades do skyrmion, particularmente com foco na estabilidade do skyrmion. Embora os skyrmions sejam geralmente extremamente estáveis, os menores skyrmions, que são necessários para a densidade de armazenamento de dados adequada, ainda se deterioram muito rapidamente em temperatura ambiente. Uma compreensão detalhada dos possíveis mecanismos de decaimento pode fornecer insights sobre como melhorar significativamente sua estabilidade.

A estabilidade excepcional dos skyrmions é resultado da configuração semelhante a um nó desses ímãs atômicos. Como acontece com um pedaço de corda, onde a ponta da corda deve ser puxada através de um orifício central, desatar o nó atômico requer um esforço considerável. Para o nano-nó magnético, há uma solução um pouco mais fácil - depois de reverter um único ímã atômico contra as forças restauradoras de seus átomos vizinhos, o nó decai continuamente sem esforço adicional. Contudo, até agora, não se sabia qual dos ímãs atômicos dos cerca de 100 em um skyrmion é revertido mais facilmente e qual é exatamente o processo.

Os pesquisadores de Aachen, Kiel, e Reykjavik reuniu seus conhecimentos para responder a essas perguntas. "Qual ímã atômico é ativado depende de diferentes condições, "explica Florian Muckel da cadeira RWTH de Física Experimental (Física do Estado Sólido):" Ao alterar um campo magnético que atua sobre os skyrmions, podemos escolher entre dois mecanismos distintos. "O primeiro mecanismo inicialmente comprime o skyrmion ao tamanho de um único nanômetro para facilitar a reversão do spin subsequente no centro. O outro mecanismo desloca o centro do nó um nanômetro em direção à periferia do skyrmion, antes que um ímã atômico possa mudar sua orientação para lá com bastante facilidade. Como Professor Markus Morgenstern, titular da cátedra de Física Experimental (Física do Estado Sólido) explica:“Com a ajuda desses dois processos, fomos capazes de melhorar a eficiência de desamarrar o nano-nó. A estabilidade do skyrmion muda em até um fator de 10, 000, onde a configuração mais estável pode resistir a cem trilhões de tentativas de desfazer o nó antes que o nó se desfaça. "

A nova compreensão de como desatar nós magnéticos é baseada em uma comparação precisa de experimentos conduzidos em Aachen com o trabalho teórico dos pesquisadores de Kiel e Reykjavík. Simulações atomísticas de computador, com base em novas ferramentas teóricas que levaram muitos anos para se desenvolver, são capazes de rastrear o movimento de cada ímã atômico no processo de desvinculação. "Graças ao uso de parâmetros de interação específicos do material obtidos a partir de cálculos de mecânica quântica, as simulações mostram uma combinação muito boa com os experimentos inovadores, "explica o professor Stefan Heinze. Para os experimentos, elétrons únicos são depositados em posições distintas dentro do skyrmion. Em cada posição, é determinado se o nano-nó permanece presente ou desaparece com a ajuda do excesso de energia fornecida pelos elétrons extras. Com base nessas informações, mapas da probabilidade de sucesso em desatar o nó foram criados. "A concordância entre experimento e simulação é impressionante, "comenta Stephan von Malottki, Universidade de Kiel, quem realizou as simulações. “É um grande sucesso da nossa abordagem teórica, "acrescenta o Dr. Pavel Bessarab de Reykjavik, quem, graças a uma bolsa Alexander von Humboldt, trabalhou no grupo de pesquisa do professor Stefan Heinze em Kiel em 2019.

Os pesquisadores acreditam que os novos insights sobre os limites de estabilidade dos nano-nós magnéticos ajudarão a torná-los ainda mais estáveis ​​na prática. A estabilidade aprimorada dos skyrmions tornará sua aplicação no processamento de informações mais eficiente. Isso pode ajudar os nano-nós a serem aplicados no armazenamento comercial de dados em um futuro próximo, de acordo com os pesquisadores.

A estrutura de equilíbrio do skyrmion exibida no topo (cones coloridos simbolizam a orientação dos ímãs atômicos) pode decair de duas maneiras diferentes (esquerda e direita). Esses caminhos foram descobertos com a ajuda de simulações de computador. A estrutura de transição é mostrada na segunda linha. A terceira linha exibe a distribuição de energia correspondente durante a transição com uma colina de energia marcando a reversão decisiva de um único ímã atômico. Os mapas na linha inferior mostram as taxas de transição para ambos os processos. Esses mapas foram determinados experimentalmente depositando elétrons adicionais em 200 posições diferentes dentro do skyrmion e determinando se o nano-nó se desfez ou não medindo o excesso de energia dos elétrons.