Transmutación topológica de vórtices de espines

En una red bidimensional de espines se observan vórtices con carga topológica (N), como skyrmions (N=–1) y antiskyrmions (N=+1), y merons (N=–1/2) y antimerons (N=+1/2). En materiales magnéticos quirales se observaron los primeros en 2009. Se publica en Nature la observación de los segundos, así como la transformación entre los primeros y los segundos. Estas transmutaciones topológicas pueden tener aplicaciones en espintrónica y en futuras nanotecnologías.

El artículo es X. Z. Yu, W. Koshibae, …, Y. Tokura, “Transformation between meron and skyrmion topological spin textures in a chiral magnet,” Nature 564: 95–98 (05 Dec 2018), doi: 10.1038/s41586-018-0745-3; recomiendo Seonghoon Woo, “Elusive spin textures discovered,” Nature 564: 43–44 (05 Dec 2018), doi: 10.1038/d41586-018-07561-0.

En este blog también puedes leer “Skyrmiones (vórtices nanomagnéticos) observados por primera vez de forma directa gracias a los electrones que los atraviesan”, LCMF 16 Jun 2010, y “Memorias magnéticas basadas en nanódromos para eskirmiones”, LCMF, 06 Ene 2015.

No me consta que haya una traducción oficial al español de los términos skyrmion y meron (en mi entorno se pronuncian castellanizados). En un vórtice nanomagnético en un material plano bidimensional el espín central tiene una dirección perpendicular con un sentido hacia arriba (core-up) o hacia abajo (core-down). La carga topológica del vórtice se calcula por la fórmula N = 1/(4π) ∫ n · (∂n/∂x × ∂n/∂y) dxdy, donde n=M/|M| y M es el momento magnético de los espines. En los esquirmiones (N=±1) los espines que rodean al central cambia su dirección rotando hasta que los más alejados se encuentran en la dirección transversal opuesta al central (ver la figura que abre esta entrada). En los merones (N=±1/2) el espín central está rodeado de espines cuya dirección rota hasta ponerse paralelos al plano del material (ver la figura que abre esta entrada). La figura justo arriba muestra merones y antimerones con espín central hacia arriba y hacia abajo.

El nuevo trabajo ha observado por primera vez merones y antimerones en una red plana cuadrada. Se ha usado un película delgada de 10 µm × 50 µm con un grosor de 100 nm del material magnético quiral Co8Zn9Mn3. Bajo un campo magnético de 20 mT (militeslas) calentado a 340 K (~ 67 ºC) se ha observado el material mediante la técnica de imagen TEM Lorentz (microscopia electrónica de transmisión de tipo Lorentz). La figura derecha muestra la observación experimental obtenida, que reproduce muy bien el modelo teórico de la izquierda.

Una textura de esquirmiones-antiesquirmiones (a veces llamados biesquirmiones) se distribuye en una red hexagonal, siendo topológicamente muy robusta. Una textura de merones-antimerones (bimerones) se distribuye en una red cuadrada, siendo topológicamente menos robusta. El nuevo trabajo ha logrado observar la transmutación topológica entre estas dos texturas inducida por campos magnéticos. En concreto, al subir el campo magnético de 20 mT hasta 60 mT se observa la transición de la red de biesquirmiones a la de bimerones (en esta figura el material estaba a temperatura ambiente, exactamente 295 K ~ 22 ºC). Se puede disfrutar de un vídeo WMV [2.6 MB] con la transición.

La menor estabilidad de la red cuadrada de merones (20 mT) respecto a la red hexagonal de esquirmiones (60 mT) se ilustra en esta figura bajando la temperatura de 295 K (22 ºC) a solo 120 K (–153 ºC). Los esquirmiones son mucho más robustos que los merones, como predicen los modelos teóricos. Este resultado es muy interesante porque sugiere que se pueden controlar las propiedades topológicas de una textura de espines mediante campos magnéticos y cambios en la temperatura. Además, la estabilidad (o robustez) de la textura también se puede controlar, lo que podría ser útil en futuras aplicaciones nanotecnológicas.

En resumen, la observación de una red cuadrada de merones-antimerones en un magneto quiral nos abre todo un mundo de posibilidades en espintrónica. Todavía estamos muy lejos de aplicaciones prácticas de estos materiales bidimensionales nanomagnéticos. Pero con seguridad las memorias magnéticas de esquirmiones y/o de merones son la aplicación potencial más prometedora.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 6 diciembre, 2018
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Nature • Noticias • Physics • Science
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