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Física

Cómo crear esquirmionas

Estructuras metálicas microscópicas producidas y controladas por pulsos magnéticos de muy corta duración podrían almacenar información

Un binomio de investigadores del Centro Brasileño de Investigaciones Físicas (CBPF), en Río de Janeiro, propuso un método aparentemente sencillo para alterar de manera controlada las propiedades magnéticas de superficies muy pequeñas de ciertos materiales. Las simulaciones realizadas por el físico peruano Helmunt Vigo-Cotrina y por el brasileño Alberto Passos Guimarães sugieren que pueden utilizarse pulsos magnéticos intensos y muy breves para generar y manipular en metales ferromagnéticos tales como el cobalto, zonas en las cuales podría almacenarse información digital. Esta estrategia, que presentaron en dos artículos que salieron publicados en el mes de abril en la revista Journal of Magnetism and Magnetic Materials, creada a partir de un modelo matemático, quizá posibilite transformar áreas hasta 100 mil veces menores al grosor de un cabello en un sustrato adecuado para registrar los números cero y uno que componen el bit, la unidad básica de información del código binario que utilizan las computadoras. Ese procedimiento, si pudiera ser llevado a la práctica, debería allanar el camino hacia la creación de dispositivos de memoria con una capacidad de almacenamiento potencialmente mayor y un consumo de energía menor a los actuales.

Desde hace al menos una década, los físicos saben que al generar un pulso magnético con una bobina es posible modificar las características de áreas muy pequeñas –con un diámetro de unos pocos nanómetros (nm), que equivalen a millonésimas de milímetro– en placas o películas de materiales que contengan hierro, cobalto o níquel. Estos elementos químicos son metales que, bajo ciertas condiciones, funcionan como imanes. Esa característica se debe a la forma en que las partículas subatómicas, especialmente los electrones de la capa más superficial, se encuentran ordenados e interactuando en el interior del material. Los electrones poseen una propiedad peculiar que se denomina espín, que, grosso modo, se entiende como un movimiento de rotación. El espín provoca que el electrón se comporte como un imán a escala microscópica. “En los materiales ferromagnéticos, los electrones tienen el espín alineado en un mismo sentido, lo que permite conservar esa característica de imán a escala macroscópica”, comenta Guimarães.

En 2009, el físico alemán Sebastian Mühlbauer, de la Universidad Técnica de Múnich, junto a sus colaboradores, demostraron experimentalmente que los pulsos magnéticos invertían el espín del electrón en pequeñas áreas circulares de una aleación metálica de manganeso y silicio (MnSi), tal como lo había previsto tres décadas antes el ruso Valery Pokrovsky. Esos círculos sumamente homogéneos y estables en los cuales las partículas poseen un espín opuesto al de los electrones del resto del material fueron llamados esquirmiones magnéticos. Ese nombre proviene de una partícula hipotética, el esquirmión, propuesta en 1962 por el físico británico Tony Skyrme (1922-1987).

Los esquirmiones magnéticos concitan la atención de los físicos a causa de algunas propiedades. Son muy pequeños –los menores tienen 1 nm de diámetro– y ocupan menos espacio que los transistores de un chip de computadora convencional. De acuerdo con estudios teóricos y experimentales, los esquirmiones no se degradan fácilmente con las variaciones de temperatura o bajo el efecto de campos magnéticos y eléctricos. Pueden desplazarse a altas velocidades impulsados por una corriente eléctrica y no resultan destruidos por las imperfecciones del material. Estas características convierten a los esquirmiones creados en delgadas capas magnéticas en buenos candidatos para codificar los bits de información, que necesitan ser estables para que los datos no se pierdan.

Existen varias maneras de crear esquirmiones. Algunos surgen espontáneamente en función del tamaño o de la geometría del material, mientras que otros solo se forman a partir de una interferencia externa, tal como el flujo de una corriente eléctrica o la aplicación de pulsos magnéticos. Sin embargo, hasta ahora no se ha conseguido generar esquirmiones de manera controlada. Frente a esta dificultad, Vigo-Cotrina y Guimarães decidieron investigar si habría alguna forma de controlar la producción y manipulación de esquirmiones y de otra estructura magnética más compleja, la esquirmiona. La misma está compuesta por un esquirmión y un antiesquirmión, y asume la forma de dos círculos concéntricos: uno interno y otro externo, donde cada uno contiene electrones con espín de inclinación levemente diferente al del otro.

Expertos en nanomagnetismo, el dúo científico peruano-brasileño apeló a simulaciones magnéticas para representar la interacción entre un disco de cobalto de 150 nm de diámetro por 1 nm de espesor sometido al influjo de un campo magnético. Al cargar el modelo con las propiedades del disco, los investigadores constataron que era necesario utilizar pulsos magnéticos muy rápidos, con una duración de 510 a 900 picosegundos [ps] (billonésimas de segundo), e intensidad relativamente alta, entre 449 y 926 militeslas (mT) para que aparecieran los esquirmiones con las características deseadas. En tanto, las esquirmionas surgían a partir de pulsos promedio más intensos (de 904 a 998 mT) y breves (300 a 430 ps), según consta en un artículo publicado el 1º de abril en la revista Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Ellos también observaron que un esquirmión podía transformarse en una esquirmiona. “Las simulaciones sugieren que, alterando las características del pulso magnético, puede seleccionarse la estructura magnética que se desea producir [esquirmión o esquirmiona]”, explica el físico peruano, quien realizó ese trabajo en su investigación posdoctoral en el CBPF, bajo la supervisión de Guimarães y financiado por la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de Río de Janeiro (Faperj).

Resulta conveniente poder controlar el tipo de estructura que se desea crear, pero acaso no sea suficiente. Ocurre que los esquirmiones tienen un problema. Una propiedad llamada carga topológica, que puede ser positiva o negativa, a menudo los obliga a migrar hacia los bordes del material cuando son estimulados por una corriente eléctrica en el interior de un campo magnético y puede causar su destrucción. Una manera de evitarlo es optar por las esquirmionas, cuya carga topológica es neutra y se desplazan en el mismo sentido de la corriente eléctrica sin sufrir desvío (deflexión). Una forma de emplear las esquirmionas para registrar información consiste en asociar su presencia o ausencia, respectivamente, con los números cero y uno (o viceversa).  Este uso podría tornarse más eficiente si fuera posible invertir el espín de los electrones en ambas regiones de la esquirmiona (esquirmión y antiesquirmión) y así crear una esquirmiona con polaridad invertida.

Al menos en las simulaciones, Vigo-Cotrina y Guimarães consiguieron invertir la polaridad de las esquirmionas ajustando la intensidad, la duración y la frecuencia de los pulsos magnéticos, tal como lo describen en el segundo artículo, publicado el 18 de abril.

Para el físico experimental Kleber Pirota, de la Universidad de Campinas (Unicamp), la estrategia que ideó el binomio del CBPF es simple e innovadora. “Con todo, su reproducción práctica constituye un enorme reto”, afirma. Al fin y al cabo, la fabricación de una bobina para generar los pulsos magnéticos sugeridos en esos trabajos no es algo trivial. “Sin embargo, esta propuesta allana el camino para que otros investigadores intenten hallar condiciones más favorables”, dice Pirota.

Artículos científicos
VIGO-COTRINA, H. y GUIMARÃES, A. P. Creating skyrmions and skyrmioniums using oscillating perpendicular magnetic fields. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 1º abr. 2020.
VIGO-COTRINA, H. y GUIMARÃES, A. P. Switching of skyrmioniums induced by oscillating magnetic field pulses. Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 18 abr. 2020.

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