Skyrmions, diminutos remolinos magnéticos, tienen mucho en común con los superconductores de alta temperatura

Engendrados por los giros de electrones en materiales magnéticos, estos pequeños remolinos se comportan como partículas independientes y podrían ser el futuro de la informática. Los experimentos con el láser de rayos X de SLAC están revelando sus secretos.

Los científicos saben desde hace mucho tiempo que el magnetismo se crea mediante los giros de electrones que se alinean de determinadas formas. Pero hace aproximadamente una década, descubrieron otra capa asombrosa de complejidad en los materiales magnéticos: en las condiciones adecuadas, estos giros pueden formar pequeños vórtices o remolinos que actúan como partículas y se mueven independientemente de los átomos que los generaron.

Los diminutos remolinos se llaman skyrmions y llevan el nombre de Tony Skyrme, el físico británico que predijo su existencia en 1962. Su pequeño tamaño y naturaleza robusta, como nudos difíciles de deshacer, han dado lugar a un campo en rápida expansión dedicado a comprenderlos mejor. y explotando sus extrañas cualidades.

“Estos objetos representan algunas de las formas más sofisticadas de orden magnético que conocemos”, dijo Josh Turner, científico de planta del Laboratorio Nacional Acelerador SLAC del Departamento de Energía e investigador principal del Instituto Stanford de Materiales y Ciencias de la Energía (SIMES). en SLAC.

“Cuando se forman los skyrmions”, dijo, “sucede de una vez, en todo el material. Lo que es aún más interesante es que los skyrmions se mueven como si fueran partículas individuales e independientes. Es como una danza en la que todos los giros se comunican entre sí y se mueven al unísono para controlar el movimiento de los skyrmions, y mientras tanto, los átomos en la red debajo de ellos simplemente se quedan allí “.

Debido a que son tan estables y tan pequeños, aproximadamente 1000 veces el tamaño de un átomo – y se mueven fácilmente aplicando pequeñas corrientes eléctricas, dijo, “hay muchas ideas sobre cómo aprovecharlas para nuevos tipos de tecnologías de almacenamiento de memoria y computación que son más pequeñas y consumen menos energía”.

Lo más interesante para Turner, sin embargo, es la física fundamental detrás de cómo se forman y se comportan los skyrmions. Él y sus colegas del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE y la Universidad de California en San Diego han estado desarrollando métodos para capturar las actividades de los skyrmions en su estado natural y sin perturbaciones con un detalle sin precedentes utilizando el láser de rayos X de electrones libres de SLAC, el Linac Coherent Light. Fuente (LCLS). Les permite medir detalles a nanoescala, tan pequeños como millonésimas de pulgada, y observar los cambios que tienen lugar en mil millonésimas de segundo.

En una serie de artículos recientes, describen experimentos que sugieren que los skyrmions pueden formar una fase similar al vidrio en la que sus movimientos son tan lentos que parecen estar atascados, como autos en un atasco. Además, midieron cómo el movimiento natural de los skyrmions entre sí puede oscilar y cambiar en respuesta a un campo magnético aplicado, y descubrieron que este movimiento inherente nunca parece detenerse por completo. Esta fluctuación siempre presente, dijo Turner, indica que los skyrmions pueden tener mucho en común con los superconductores de alta temperatura, materiales cuánticos cuya capacidad para conducir electricidad sin pérdida a temperaturas relativamente altas puede estar relacionada con franjas fluctuantes de espín y carga de electrones.

Simulaciones de Skyrmion

Arriba: las imágenes basadas en simulaciones muestran cómo tres fases de la materia, incluidos los skyrmions (pequeños remolinos creados por los giros de los electrones) pueden formarse en ciertos materiales magnéticos. Son franjas de espín de electrones (izquierda); celosías hexagonales (derecha); y una fase intermedia (centro) que es una mezcla de las dos. En este estado medio, similar al vidrio, los skyrmions se mueven muy lentamente, como autos en un atasco de tráfico, uno de los varios descubrimientos realizados en estudios recientes por científicos de SLAC, Stanford, Berkeley Lab y UC San Diego. Abajo: Patrones formados en un detector durante experimentos que exploraron los fundamentos del comportamiento del skyrmion en el láser de electrones libres de rayos X de fuente de luz coherente Linac de SLAC. Crédito: Esposito et al., Applied Physics Letters, 2020

El equipo de investigación pudo observar las fluctuaciones de skyrmion en una delgada película magnética hecha de muchas capas alternas de hierro y gadolinio al tomar instantáneas con el rayo láser de rayos X LCLS con solo 350 billonésimas de segundo de diferencia. Dicen que su método se puede utilizar para estudiar la física de una amplia gama de materiales, así como su topología, un concepto matemático que describe cómo la forma de un objeto puede deformarse sin cambiar fundamentalmente sus propiedades. En el caso de los skyrmions, la topología es lo que les da su naturaleza robusta, lo que los hace difíciles de aniquilar.

“Creo que esta técnica crecerá y se volverá muy poderosa en la física de la materia condensada, porque no hay muchas formas directas de medir estas fluctuaciones a lo largo del tiempo”, dijo Sujoy Roy, científico del personal de la fuente de luz avanzada de Berkeley Lab. “Hay una gran cantidad de estudios que se pueden hacer sobre cosas como superconductores, óxidos complejos e interfaces magnéticas”.

Sergio Montoya, científico del Center for Memory and Recording Research en UC San Diego, quien diseñó y elaboró ​​el material utilizado en este estudio, agregó: “Este tipo de información es importante cuando se desarrolla electrónica a gran escala y se necesita ver cómo comportarse en todo el material, no solo en un pequeño lugar “.

Instantáneas rápidas de cambios a escala atómica

Montoya comenzó a estudiar la película de hierro-gadolinio alrededor de 2013. En ese momento, ya se sabía que las celosías de skyrmion se podían formar cuando se aplicaban campos magnéticos a ciertos imanes, y hubo grandes esfuerzos de investigación para descubrir nuevos materiales capaces de albergar skyrmions a temperatura ambiente. . Montoya elaboró ​​cuidadosamente los materiales en capas, ajustando las condiciones de crecimiento para ajustar las propiedades de la celosía skyrmion – “el diseño y la confección del material juegan un papel muy importante en estudios como estos”, dijo – y se asoció con Roy para examinarlos con Rayos X de la fuente de luz avanzada.

Mientras tanto, Turner y su equipo en LCLS estaban desarrollando una nueva herramienta que es como una cámara para tomar instantáneas de fluctuaciones de escala atómica a velocidades de obturación extremadamente rápidas. Dos pulsos de láser de rayos X, cada uno de solo una millonésima de una milmillonésima de segundo de duración, golpearon una muestra de millonésimas a mil millonésimas de segundo con una diferencia de diferencia. Los rayos X entran en un detector y forman “patrones de motas”, cada uno tan único como una huella dactilar, que revelan cambios sutiles en la compleja estructura del material.

“Utilizamos pulsos de rayos X suaves con una intensidad muy baja que no alteran la muestra”, explicó el científico de LCLS Matt Seaberg. “Esto nos permite obtener dos instantáneas que revelan las fluctuaciones intrínsecas en el material y cómo cambian en el breve lapso de tiempo entre ellas”.

Skyrmion SV desordenado

Los Skyrmions (arriba y abajo a la izquierda) son pequeños vórtices o remolinos creados por los giros de los electrones cuando se aplican campos magnéticos a ciertos materiales magnéticos. Los Skyrmions pueden formar patrones de celosía regulares (arriba a la derecha) que coinciden con el patrón de la celosía atómica que los generó, aunque son unas 100 veces más grandes. También pueden moverse de forma independiente para formar diferentes patrones (abajo a la derecha), incluidas franjas alternas de espín de electrones y fases desordenadas parecidas al vidrio. En una serie de estudios recientes, científicos de SLAC, Stanford, Lawrence Berkeley National Laboratory y UC San Diego utilizaron un láser de rayos X para descubrir nuevos aspectos del comportamiento del skyrmion. Crédito: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory, basado en simulaciones numéricas de Sergio Montoya / UC San Diego

No pasó mucho tiempo antes de que los equipos de LCLS, Berkeley Lab y UC San Diego unieran fuerzas para apuntar esta nueva herramienta a skyrmions.

Como dijo Turner, “Imagínese tener un telescopio y elegir dónde apuntar primero. Skyrmions parecía una buena elección: estructuras magnéticas exóticas con muchas incógnitas sobre su comportamiento “.

Más herramientas poderosas por delante

Según lo que vieron en estos experimentos, “Creemos que es básicamente la interacción entre skyrmions adyacentes lo que podría estar causando sus oscilaciones intrínsecas”, dijo Seaberg. “Todavía estamos tratando de entender eso. Es difícil ver exactamente qué está oscilando según el tipo de mediciones que hicimos. Hemos tenido muchas discusiones sobre cómo podríamos averiguar qué está sucediendo y qué significan realmente las señales que medimos “.

Desde entonces, el instrumento especializado que construyeron para estos experimentos se ha desarmado para dar paso a otras cosas. Pero se volverá a montar como parte de una nueva estación experimental que forma parte de una importante Actualización de LCLS – un lugar ideal, dijo el equipo, para continuar con esta nueva clase de experimentos sobre fluctuaciones en materiales como superconductores, así como un viaje científico fructífero y colaborativo que Montoya describe como un “viaje alegre”.

Turner dijo: “Es notable cuánto estamos aprendiendo sobre este tipo de objetos magnéticos con las capacidades especiales que tenemos en LCLS. Este proyecto ha sido muy divertido. Trabajando con un equipo tan grandioso y con tantas cosas que probar, hay literalmente un tesoro de información esperando ser descubierto “.

LCLS y ALS son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, y la mayor parte de los fondos para esta investigación provino de la Oficina de Ciencias, incluido un premio del Programa de Investigación de Carrera Temprana a Josh Turner.

Referencias:

“Fluctuaciones de Skyrmion en un límite de transición de fase de primer orden” por V. Esposito, XY Zheng, MH Seaberg, SA Montoya, B. Holladay, AH Reid, R. Streubel, JCT Lee, L. Shen, JD Koralek, G. Coslovich , P. Walter, S. Zohar, V. Thampy, MF Lin, P. Hart, K. Nakahara, P. Fischer, W. Colocho, A. Lutman, F.-J. Decker, SK Sinha, EE Fullerton, SD Kevan, S. Roy, M. Dunne y JJ Turner, 4 de mayo de 2020, Letras de física aplicada.
DOI: 10.1063 / 5.0004879

“Una revisión instantánea: fluctuaciones en los materiales cuánticos: de los skyrmions a la superconductividad” por L. Shen, M. Seaberg, E. Blackburn y JJ Turner, 14 de abril de 2021, MRS Advances.
DOI: 10.1557 / s43580-021-00051-y

“Fluctuaciones espontáneas en una celosía magnética de Fe / Gd skyrmion” por Matthew Seaberg et al., 15 de septiembre de 2021, Investigación de revisión física.
DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.3.033249

“Estimación de contraste absoluto para espectroscopia de fluctuación de fotones de rayos X suaves utilizando un modelo de gota variacional” por NG Burdet, V. Esposito, MH Seaberg, CH Yoon y JJ Turner, 30 de septiembre de 2021, Informes científicos.
DOI: 10.1038 / s41598-021-98774-3


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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