En los últimos años, la emoción ha girado en torno a un tipo de cuasi partícula llamada skyrmion que surge como un comportamiento colectivo de un grupo de electrones. Debido a que son estables, tienen un tamaño de unos pocos nanómetros y solo necesitan pequeñas corrientes eléctricaspara transportarlos, los skyrmions tienen potencial como base para dispositivos de almacenamiento y procesamiento de información ultracompactos y eficientes en el futuro.
Ahora, un grupo de investigación en Singapur ha utilizado simulaciones por computadora para investigar más a fondo los comportamientos de los skyrmions, obteniendo información que puede ayudar a los científicos e ingenieros a estudiar mejor las cuasi partículas en los experimentos. Los nuevos resultados, publicados en Avances AIP , de AIP Publishing, también podría conducir a dispositivos basados en skyrmion como nano-osciladores de microondas, utilizados en una gama de aplicaciones que incluyen comunicación inalámbrica, sistemas de imágenes, radar y GPS.
"Sus atributos únicos, por ejemplo, podrían habilitar teóricamente computadoras portátiles con discos duros del tamaño de cacahuetes, y aun así consumir poca energía", dijo Meng Hau Kuok de la Universidad Nacional de Singapur y uno de los autores del trabajo.
Observado en 2009, los skyrmions surgen del comportamiento colectivo de los electrones en materiales magnéticos bajo ciertas condiciones. Debido a sus espines, los electrones actúan como pequeños imanes donde sus polos magnéticos se alinean con sus espines. Un fenómeno llamado interacción Dzyaloshinskii-Moriya DMI, que ocurre en la interfaz entre una capa magnética y un metal no magnético, inclina los espines y los organiza en patrones circulares. Estos arreglos circulares de espines, que se comportan colectivamente como partículas, son skyrmions.
Aunque los investigadores han estudiado cómo se comportan los grupos de skyrmions, se sabe poco sobre sus comportamientos internos, dijo Kuok. En particular, los físicos no entienden completamente los tres modos fundamentales de las partículas, que son análogos a los modos vibratorios fundamentales de una guitarracadena correspondiente a diferentes notas musicales. Al igual que esas notas, cada modo skyrmion está asociado con una determinada frecuencia.
"Los modos pueden considerarse como patrones circulares de giros que bailan sincronizados", dijo Kuok. Comprender los modos es esencial para saber cómo se comportarían las partículas.
En uno de los modos, llamado modo de respiración, el patrón de giros se expande y contrae alternativamente. En los otros dos modos, la disposición circular de giros gira en sentido horario y antihorario, respectivamente.
Los investigadores se centraron en un tipo de skyrmion llamado Néel skyrmion, que existe en películas ultrafinas depositadas en metales con un DMI fuerte. Usando una computadora, simularon cómo el DMI y los campos magnéticos externos de diferentes fuerzas afectaron los modos y propiedades dedescubrieron que, dada la misma intensidad DMI, y si en la fase cristalina, las frecuencias correspondientes a cada modo dependen de manera diferente de la intensidad del campo magnético.
El aumento del campo magnético también induce a los skyrmions a cambiar de fase uno con respecto al otro, de ser dispuestos en arreglos ordenados como un cristal para distribuirse y aislarse aleatoriamente. Los investigadores encontraron que los tres modos responden de manera diferente a esta transición de fase.
Sorprendentemente, dijo Kuok, los tres modos pueden existir en la fase de cristal, mientras que el modo de rotación en sentido horario no existe en la fase aislada. Una razón, revelaron las simulaciones, podría ser que los skyrmions están más separados en la fase aislada queen la fase de cristal. Si los skyrmions están demasiado separados, entonces no pueden interactuar. Esta interacción podría ser necesaria para el modo de rotación en el sentido de las agujas del reloj, dijo Kuok.
Debido a que las frecuencias de modo de skyrmions están en el rango de microondas, las cuasi partículas podrían usarse para nuevos nano-osciladores de microondas, que son bloques de construcción importantes para los circuitos integrados de microondas.
Un nano-oscilador de microondas basado en skyrmions podría operar a tres frecuencias resonantes, correspondientes a los tres modos. Un campo magnético creciente reduciría las frecuencias resonantes de la respiración y los modos de rotación en sentido horario a diferentes velocidades, pero aumentaría la frecuencia resonante demodo de rotación en sentido contrario a las agujas del reloj. Dicho dispositivo basado en skyrmion sería más compacto, estable y requeriría menos energía que los nano-osciladores convencionales basados en electrones.
Pero antes de que los skyrmions lleguen a los dispositivos, los investigadores aún necesitan diseñar sus propiedades específicas deseadas, como el tamaño, y ajustar con precisión sus propiedades dinámicas. "Nuestros hallazgos podrían proporcionar información teórica para abordar estos desafíos", dijo Kuok.
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Materiales proporcionado por Instituto Americano de Física AIP . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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