Skyrmions magnéticos são redemoinhos de magnetização extremamente pequenos e estáveis, muitas vezes referidos como "quase-partículas topológicas", uma vez que uma estabilidade emergente abraça esse conjunto de spin. Como tal, skyrmions podem ser manipulados, mantendo sua forma. Em filmes finos ferromagnéticos, eles podem ser convenientemente criados com um pulso de corrente elétrica ou, ainda mais rápido, com um pulso de laser – embora, até agora, apenas em posições aleatórias no material. Skyrmions são cientificamente interessantes de duas perspectivas:Por um lado, skyrmions magnéticos são vistos como portadores de informação na futura tecnologia da informação. Por outro lado, skyrmions em filmes magnéticos finos podem atuar como um teste ideal para estudar a dinâmica de quase-partículas magnéticas topologicamente não triviais.
No entanto, para progredir neste campo, é necessária a geração confiável do skyrmion magnético em posições controladas. Uma equipe de pesquisadores, liderada pelo Instituto Max Born, agora alcançou o controle total em escala nanométrica da geração de skyrmion por duas abordagens independentes empregando He ⁺ -Irradiação de íons ou usando máscaras reflexivas traseiras.

Nos últimos anos, grandes avanços foram relatados na geração, aniquilação e movimentação de skyrmions magnéticos em filmes finos magnéticos. Uma ferramenta primordial para investigar essas texturas magnéticas em escala nanométrica a micrométrica é fotografá-las diretamente – seja com luz visível ou raios-X. Se quisermos estudar as propriedades dinâmicas juntamente com as características espaciais, devemos gravar um filme composto por muitos quadros de imagem. No entanto, gravar diretamente um filme skyrmion nas escalas de tempo relevantes de nano ou mesmo picossegundos dificilmente é possível - o tempo de aquisição necessário para um único quadro é normalmente muito longo.

Esse problema é comumente resolvido empregando-se medições estroboscópicas repetitivas - as chamadas "experiências com sonda-bomba" - onde o mesmo processo é repetido várias vezes enquanto é fotografado. Para permitir tais medições resolvidas no tempo, a dinâmica do skyrmion magnético deve ser controlável e determinística. Uma equipe de pesquisadores liderada pelo Instituto Max Born estabeleceu agora dois métodos para criar de forma confiável skyrmions nas posições desejadas e guiar seu movimento – etapas essenciais para gravar vídeos de skymions em movimento.

Um primeiro método baseia-se na irradiação do filme magnético que hospeda os skyrmions com um feixe de íons de hélio focado para criar de forma flexível padrões de diferentes formas e tamanhos no material magnético. É importante ressaltar que essa modificação local com íons muito leves afeta apenas as propriedades magnéticas do material enquanto o filme permanece estruturalmente intacto. Empregando íons de hélio, é possível predefinir posições onde skyrmions aparecem após acionar sua criação com um pulso curto de corrente elétrica ou luz laser (ver Fig. 1, onde skyrmions são nucleados em duas fileiras de pontos isolados).

Em particular, a modificação magnética acaba sendo suave o suficiente para permitir um descolamento controlado do skyrmion de seu local de geração e seu subsequente movimento desimpedido. Além disso, ao combinar um local de criação de skyrmion com um canal de orientação, a equipe conseguiu mostrar o movimento contínuo de um skyrmion magnético impulsionado por pulsos de corrente elétrica ao longo de dezenas de micrômetros para frente e para trás na chamada pista magnética - suprimindo totalmente qualquer indesejável movimento lateral, que é intrínseco aos skyrmions acionados por corrente.

Em uma segunda abordagem para predefinir os locais de nucleação de skymion, os pesquisadores projetaram máscaras refletivas nanopadronizadas na parte traseira do material magnético. Essas máscaras permitem controlar as amplitudes de excitação alcançadas ao atingir o filme magnético com um laser, resultando em precisão em escala nanométrica na distribuição espacial dos skyrmions magnéticos criados (ver Fig. 1, onde os skyrmions são nucleados em uma grade quadrada).

Como as máscaras são preparadas na parte traseira do filme magnético oposta à superfície iluminada a laser, a abordagem mantém o acesso frontal livre ao filme magnético para, por exemplo, detecção dos skyrmions. A aplicação desta abordagem de máscara traseira com seu acesso livre ao filme magnético pode ser facilmente transferida para outros fenômenos de comutação foto-induzidos, a fim de adicionar controle nanométrico nas áreas comutadas.

Os resultados desses estudos, publicados em Nano Letters e Revisão Física B , também pode impactar a pesquisa sobre novos conceitos de computação e armazenamento de dados. Nas últimas décadas, observamos uma demanda por densidades de armazenamento de dados cada vez maiores e capacidades computacionais eficientes, despertando um enorme interesse industrial em explorar efeitos magnéticos ativos em escalas ultrarrápidas e ultrapequenas para aplicações tecnológicas. Um possível candidato como portador de informações de próxima geração é o skyrmion magnético. Com o nível de controle alcançado para geração e movimento skyrmion e o potencial para ainda mais miniaturização, a tecnologia pode abrir caminho para possíveis dispositivos futuros, como memórias skyrmion racetrack, registradores de deslocamento e portas lógicas skyrmion. + Explorar mais

Manipulação deterministicamente integrada de skyrmions magnéticos alcançada em dispositivo nanoestruturado