Electrónica: un paso hacia el control de skyrmion

En la era de la información, el volumen de datos en circulación está creciendo de forma espectacular. Si procesar estos datos es un gran problema, con procesadores cada vez más rápidos, el almacenamiento es otro. ¿Cómo se puede almacenar la información de manera óptima, ya sea temporalmente para usarla en un cálculo oa largo plazo? Los sistemas de memoria deben cumplir diferentes criterios: menor costo de energía, velocidad de lectura y escritura de datos, o incluso estabilidad a largo plazo. Hay muchas tecnologías de memoria con diferentes fortalezas. Algunos son ampliamente utilizados en nuestros dispositivos electrónicos cotidianos, otros aún se encuentran en la fase de investigación de laboratorio. Este es el caso de los skyrmions, un camino prometedor para la producción de dispositivos de almacenamiento de alta densidad y gran poder computacional, inspirados principalmente en el funcionamiento del cerebro. Sin embargo, su manejo sigue siendo difícil. El equipo de Claire Baraduc y Hélène Béa, del laboratorio Spintec de Grenoble, acaba de realizar un importante avance para controlar mejor estos pequeños objetos magnéticos.

En la física de los materiales, muchas propiedades son el resultado del comportamiento colectivo de los constituyentes de la materia. Este es, por ejemplo, el caso de los materiales superconductores a baja temperatura, donde la corriente fluye con resistencia cero. Este fenómeno está asegurado por pares de electrones (conocidos como “pares de Cooper”) cuya cohesión está garantizada por las vibraciones de todos los átomos que componen el cristal superconductor. Estos comportamientos colectivos suelen describirse como si fueran una partícula, por lo que hablamos de “cuasipartícula” para distinguirlos de los componentes elementales reales. Este enfoque simplifica la descripción del sistema. Así, el “fonón” es la cuasi-partícula que describe las vibraciones de una red cristalina.

Los skyrmions constituyen otro tipo de comportamiento colectivo ligado a las propiedades magnéticas de la materia. En un material como el hierro, la nube electrónica de átomos lleva un momento magnético, equivalente a un pequeño imán con un polo norte y sur. Hablamos del “girocompás electrónico”. Por lo tanto, en un material ferromagnético, todos los imanes pequeños tienden a alinearse en paralelo con sus vecinos más cercanos, por lo que obtenemos un imán como los que están pegados a la puerta del refrigerador.

Siguiendo el trabajo del físico de partículas Tony Skyrme en 1962, se sugirió la existencia de cuasi-partículas en materiales bidimensionales que ahora se llaman “skyrmions”. En estas cuasipartículas, los espines de un grupo de átomos están dispuestos según una estructura circular muy precisa. Los giros en el centro del skyrmion están orientados en una dirección perpendicular al plano del material, por ejemplo, hacia abajo; hacia afuera desde el centro, las circunvoluciones giran gradualmente y gradualmente terminan apuntando hacia arriba en el borde del skyrmion. Esta rotación se realiza siempre en el mismo sentido al atravesar el skyrmion de un lado a otro. En términos de tamaño, un skyrmion tiene un diámetro típico, que puede variar desde unos pocos micrómetros hasta unos pocos nanómetros, lo que lo convierte en uno de los sistemas magnéticos más pequeños que se conocen. También tiene la ventaja de ser físicamente móvil, lo que allana el camino para dispositivos que combinan memoria y computación, capaces de realizar operaciones complejas de manera más eficiente que las tecnologías existentes.

El interés del skyrmion, su naturaleza de cuasi-partícula estable y manipulable, es una ventaja asegurada por sus propiedades topológicas. Para entenderlos, es necesario recordar algunas nociones de topología. Esta área de las matemáticas se ocupa de las propiedades globales que conserva un objeto cuando se somete a ciertas transformaciones específicas. Por ejemplo, el número de agujeros en un objeto geométrico es invariable cuando el objeto se puede deformar a voluntad sin volver a pegar o rasgar su superficie. Por lo tanto, puede deformar continuamente una rosquilla con un orificio en una taza, pero no puede obtener tazas con dos orificios o un pretzel con tres orificios. La topología encontró muchas aplicaciones más allá de las matemáticas durante el siglo XX, especialmente en física. De hecho, proporciona herramientas para comprender ciertas propiedades de los materiales. Por ejemplo, indica por qué ciertos materiales son conductores eléctricos en la superficie, pero aislantes en el interior (en este caso, hablamos de “aislantes topológicos”).

En el caso del skyrmion, su estructura topológica dificulta su desaparición, ya que requiere cruzar una barrera de energía para enderezar todos los espines en la misma dirección, lo que borra el skyrmion. Esto es lo que le da al skyrmion su estabilidad y por lo tanto lo hace de gran interés para almacenar información. También es bastante simple mover un skyrmion con corriente eléctrica. Los espines cambian de átomo a átomo vecino: el skyrmion se “desliza” sobre los átomos, sin desaparecer, y puede alcanzar velocidades de hasta 1 kilómetro por segundo.

Los primeros estudios que informaron de la observación experimental de skyrmions, en un cristal de silicio y manganeso a baja temperatura, se publicaron en 2009. Desde entonces, muchos equipos los han producido a temperatura ambiente y han demostrado diferentes tipos.

La propiedad estructural más importante del skyrmion proviene de la región donde la orientación de los giros cambia gradualmente entre la orientación en el centro del skyrmion y la de su borde, una región llamada “pared”. En capas magnéticas de espesor nanométrico, la inclinación de los espines en la pared de skyrmion es radial. Una interacción (conocida como “Dzyaloshinskii-Moriya”) entre espines vecinos favorece una dirección de rotación sobre la otra, lo que se denomina “quiralidad”. Se asigna una quiralidad izquierda o derecha dependiendo de la dirección en la que los espines giran en la pared al atravesar el skyrmion de izquierda a derecha según su diámetro. Es, por ejemplo, diestro si los pivotes giran en el sentido de las agujas del reloj (rotación en el sentido de las agujas del reloj). En el caso de un skyrmion quiral izquierdo, la misma operación da giros que giran en sentido contrario a las agujas del reloj. Una consecuencia importante es que el skyrmion se mueve en la dirección de la corriente eléctrica aplicada o en la dirección opuesta, dependiendo de su quiralidad. Por lo tanto, es posible controlar el movimiento de un tren de skyrmions invirtiendo la dirección de la corriente eléctrica.

Hasta ahora, la quiralidad de los skyrmions venía definida por la construcción: la elección de los materiales imponía el signo de la interacción Dzyaloshinskii-Moriya, y por tanto el sentido de rotación de los espines. La pregunta entonces era si era posible controlar la quiralidad, obtener control individual sobre el movimiento de los skyrmions. Este es el desafío lanzado por el equipo de Claire Baraduc y Hélène Béa.

Los científicos han desarrollado un sistema multicapa de nanómetros de espesor. Una capa que contiene una mezcla de hierro y cobalto, en la que se forman skyrmions, se une a una capa de óxido. Al aplicar un voltaje de unos pocos voltios a través del óxido (conocido como voltaje de puerta), el equipo controló el grado de oxidación en la interfaz con la capa de óxido. Este efecto permitió modificar el signo de la interacción Dzyaloshinskii-Moriya y, por tanto, la quiralidad de los skyrmions, que luego cambiaron la dirección del movimiento bajo la corriente eléctrica.

Utilizando simulaciones numéricas, el equipo confirmó que esta inversión de la quiralidad era posible sin perder la estabilidad de los skyrmions. Gracias a un mayor control, sería posible implementar el diseño de puertas lógicas basadas en estas cuasipartículas. Un obstáculo menos en el camino hacia la informática basada en skyrmion.