Os físicos RIKEN descobriram como as interações entre os elétrons podem estabilizar um arranjo repetido de padrões magnéticos em espiral, conhecidos como skyrmions, o que poderia ajudar a explorar ainda mais essas estruturas.

O spin de um elétron faz com que ele se comporte como um ímã em miniatura. Em um skyrmion, muitos desses giros são organizados em um padrão de espiral que se assemelha a um minúsculo tornado. Skyrmions são altamente promissores como meio de transporte de informações em uma nova geração de alta densidade, dispositivos de armazenamento de dados de baixo consumo de energia.

Skyrmions se comportam como se fossem partículas distintas, e vários skyrmions podem se organizar em uma grade regular dentro de certos tipos de materiais. Mas os pesquisadores ainda estão debatendo como essas estruturas estáveis ​​de skyrmion se formam.

Para descobrir mais sobre treliças skyrmion, Yuuki Yasui no RIKEN Center for Emergent Matter Science e colegas estudaram um material metálico chamado siliceto de rutênio gadolínio (GdRu2Si2; Fig. 1). Os elétrons nos átomos de gadolínio do material são os grandes responsáveis ​​por suas propriedades magnéticas, enquanto os átomos de rutênio contribuem com elétrons 'itinerantes' que são mais móveis.

A equipe já havia descoberto que, ao aplicar um campo magnético ao material, eles poderiam criar uma rede quadrada de skyrmions dispostos em um padrão de grade em intervalos de cerca de 2 nanômetros. No novo estudo, eles usaram uma técnica chamada microscopia de tunelamento de varredura por imagem espectroscópica (SI-STM) para estudar os elétrons itinerantes em GdRu2Si2.

Os pesquisadores resfriaram o material a -271 graus Celsius e aplicaram uma gama de campos magnéticos para gerar diferentes padrões magnéticos. As medições SI-STM mostraram que as mudanças nos padrões magnéticos do material se refletiam na distribuição dos elétrons itinerantes. Crucialmente, a equipe também viu que o padrão de rede do skyrmion está impresso nos elétrons itinerantes do material, devido às interações entre os spins de elétrons localizados e itinerantes.

Os pesquisadores sugerem que essas interações podem desempenhar um papel importante na formação da estrutura quadrada do skyrmion. "O mecanismo proposto estabiliza redes de skyrmion, "diz Yasui.

A equipe também realizou cálculos teóricos, com base nas interações entre elétrons localizados e itinerantes, para prever a distribuição de elétrons itinerantes no material sob diferentes campos magnéticos. Essas distribuições eram muito semelhantes aos padrões observados por SI-STM, apoiar o mecanismo proposto pelos pesquisadores.

Além de fornecer pistas sobre como as estruturas do skyrmion são estabilizadas, a pesquisa mostra que o SI-STM pode ser usado para monitorar indiretamente o comportamento dos skyrmions. "Isso pode fornecer aos pesquisadores uma ferramenta útil para estudar estruturas de skyrmion em outros materiais, "diz Yasui.