La interacción entre solitones magnéticos

Por Francisco R. Villatoro, el 12 mayo, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 2

Dibujo20160512 Schematic visualisation soliton zoomed-in picture of the system srep25685-f1

En el año 2012 se observaron solitones magnéticos (o magnones) en un imán quiral (material magnetoquiral). Se publica en Scientific Reports un estudio numérico de la interacción mutua entre estos solitones. La generación estable de magnones usando estados ferromagnéticos, la interacción repulsiva entre dos magnones con espín polarizado en direcciones opuestas, la coalescencia de dos magnones y su aniquilación mutua, en función  de la corriente de espín aplicada. Estas simulaciones forman la base para una futura tecnología magnónica, que competirá en el nicho de la espintrónica.

El artículo es Konstantinos Koumpouras, Anders Bergman, …, Dmitry Yudin, “”A spin dynamics approach to solitonics,” Scientific Reports 6: 25685 (09 May 2016), doi: 10.1038/srep25685; la primera observación directa de magnones se logró en Y. Togawa, T. Koyama, …, J. Kishine, “Chiral Magnetic Soliton Lattice on a Chiral Helimagnet,” Phys. Rev. Lett. 108: 107202 (5 Mar 2012), doi: 10.1103/PhysRevLett.108.107202; más información en Catherine Pappas, “New Twist in Chiral Magnets,” Physics 5: 28 (5 Mar 2012).

Dibujo20160512 Schematic visualisation of a suggestion for applying two opposite currents in experiment srep25685-f5

Las ondas solitarias son ondas no lineales robustas con forma de pulso que se comportan como partículas. En rigor, las ondas solitarias son solitones cuando sus interacciones mutuas son completamente elásticas, es decir, tras ellas los solitones recuperan su forma sin emitir radiación. En la práctica se consideran sinónimos las ondas solitarias y los solitones. En materiales magnéticos los solitones se suelen llamar magnones (el sufijo -ón se asocia a las ondas que se comportan como partículas). Se trata de ondas de espines en la nanoescala que prometen muchas aplicaciones prácticas relacionadas con la espintrónica (donde se usan ondas lineales de espines). El nuevo artículo propone el término magnónica.

Dibujo20160512 Collision and annihilation of two solitons srep25685-f4

Lo más interesante del nuevo artículo de física computacional es el estudio numérico de la interacción entre dos solitones magnéticos (magnones) con quiralidad bien definida. Para que los dos magnones se muevan en direcciones opuestas hay que aplicar sendas corrientes eléctricas en direcciones opuestas. Cuando las corrientes son idénticas en magnitud, el resultado de la interacción depende de cierto valor umbral. Dos magnones que se mueven con velocidades opuestas (a), pueden colisionar de forma elástica y recuperar su forma tras la colisión, (b) y (c), o pueden aniquilarse dando lugar a un único magnón, (d) y (e). La diferencia de comportamiento depende de si la corriente aplicada está por debajo o supera cierto umbral. .

Dibujo20160512 Creation of two solitons by applying a reversed spin polarised current at the centre of one soliton srep25685-f6

Otro proceso que promete aplicaciones prácticas es la desintegración de un magnón en dos magnones. Se invierte la corriente aplicada a un magnón (a) dando lugar a un estado metaestable (b), que cuando se elimina la inversión resulta en la formación de dos magnones (c) que se mueven en direcciones opuestas. Este proceso promete aplicaciones magnónicas en conmutación y en computación.

Por supuesto, antes de pensar en aplicaciones tendrán que verificarse todos estos comportamientos mediante experimentos. Sobre todo porque las simulaciones usan un modelo ideal que describe muy bien la propagación de un solo magnón observada en los experimentos. Las interacciones entre magnones son elásticas en este modelo ideal, pero podrían tener cierta componente inelástica (generar radiación) en los experimentos. Sin entrar en más detalles, sin lugar a dudas, el campo de la magnónica tiene un futuro muy prometedor.



2 Comentarios

    1. Pablo, la propagación del impulso nervioso se suele describir mediante el modelo de Hodgkin–Huxley (HH); se sabe desde principios de los 1970s que este modelo (en cierto régimen) presenta soluciones de tipo solitón. En la práctica, no se suele usar la teoría de solitones para estudiar el impulso nervioso.

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