Skyrmions avanza en computación de bajo consumo

– Por Rachel Berkowitz

Los materiales magnéticos bidimensionales han sido aclamados como bloques de construcción. para la próxima generación de dispositivos electrónicos pequeños y rápidos. Estos materiales, hechos de capas de láminas cristalinas de solo unos pocos átomos de espesor, adquieren sus propiedades magnéticas únicas a partir de los giros intrínsecos de sus electrones, similares a las agujas de una brújula. La delgadez a escala atómica de las hojas significa que estos espines se pueden manipular en las escalas más finas utilizando campos eléctricos externos, lo que podría conducir a nuevos sistemas de procesamiento de información y almacenamiento de datos de baja energía. Pero saber exactamente cómo diseñar materiales 2D con propiedades magnéticas específicas que puedan manipularse con precisión sigue siendo una barrera para su aplicación.

Ahora, como se informó en la revista Avances de la ciencia, Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), UC Berkeley, Cornell y la Universidad de Rutgers han descubierto materiales 2D en capas que pueden albergar características magnéticas únicas que permanecen estables a temperatura ambiente y, por lo tanto, podrían usarse en futuros dispositivos cotidianos. Las imágenes a escala atómica del material revelan las características químicas y estructurales precisas que son responsables de estas características y su estabilidad.

Los investigadores de Berkeley Lab tienen un historial de identificación de propiedades magnéticas inesperadas en capas atómicamente delgadas de cristales a granel, muchas basadas en materiales semiconductores dopados con átomos metálicos. El estudiante graduado de UC Berkeley, Tyler Reichanadter, coautor del estudio, calculó cómo podría cambiar la estructura electrónica de los materiales 2D comunes al intercambiar diferentes átomos, en este caso, parte del hierro por cobalto. Este intercambio particular da como resultado una estructura cristalina que no se puede superponer a su imagen especular y conduce a la posibilidad de arreglos de espín exóticos, similares a vórtices, llamados skyrmions, que se están explorando como componentes básicos de la computación futura de bajo consumo.

Los coautores del estudio, Hongrui Zhang, investigador postdoctoral en UC Berkeley, y Xiang Chen, investigador postdoctoral en Berkeley Lab y UC Berkeley, utilizaron instalaciones de crecimiento de cristales para explorar algunos de los materiales 2D más prometedores, incluido el telururo de germanio y hierro dopado con cobalto ( Fe₅Obtener₂) en forma de nanocopos. Fe₅Obtener₂ es un material magnético 2D típico debido a su estructura en capas única y simetría cristalina, con átomos de hierro que ocupan puntos específicos dentro de la estructura cristalina. Descubrieron que al reemplazar exactamente la mitad de los átomos de hierro con átomos de cobalto, cuya configuración electrónica ligeramente diferente significaba que los átomos ocupaban naturalmente puntos ligeramente diferentes en el cristal, podían romper espontáneamente la simetría natural del cristal del material, lo que a su vez alteraba su estructura de espín.

“No es fácil de hacer. Estas estructuras tardan días o meses en sintetizarse, y pasamos por cientos de cristales”, dijo Chen, quien es un experto en la síntesis de materiales tan complejos.

Los coautores Sandhya Susarla, investigadora postdoctoral de Berkeley Lab, y Yu-tsun Shao, investigador postdoctoral en Cornell, confirmaron la estructura a escala atómica y la estructura electrónica de los materiales complejos usando capacidades de microscopía electrónica en el Centro Nacional de Microscopía Electrónica en el fundición molecular.

“Esto es pura ciencia de descubrimiento y completamente inesperado”, dijo Ramamoorthy Rameshun científico senior de la facultad en Berkeley Lab’s División de Ciencias de los Materiales y el autor correspondiente principal del artículo. “El equipo estaba tratando de manipular la estructura electrónica y descubrió que al romper la simetría, el material podía albergar skyrmions”.

Otros autores de Berkeley Lab en el artículo incluyeron a Robert Birgeneau, Jeff Neaton, Peter Fischer, Jie Yao, Kaichen Dong y Rui Chen.

Zhang usó microscopía de fuerza magnética para obtener imágenes de los skyrmions sobre grandes áreas de tales cristales. Siguiendo la evolución de los skyrmions en función de la temperatura y el campo magnético, los investigadores establecieron las condiciones físicas que llevaron a su estabilidad. Además, al pasar una corriente eléctrica a través del material, los investigadores descubrieron que podían hacer que los skyrmions se desplazaran dentro del material, independientemente de los átomos que condujeron a su formación en primer lugar.

Finalmente, David Raftrey, un investigador estudiante graduado de Berkeley Lab y UC Santa Cruz, realizó simulaciones micromagnéticas para interpretar los patrones electrónicos observados en esos materiales.

Debido a que los materiales en capas se pueden fabricar con una amplia gama de espesores a temperatura ambiente y superior, los investigadores creen que sus propiedades magnéticas se pueden mejorar y expandir. “Estamos interesados ​​en la microelectrónica, pero las preguntas fundamentales sobre la física de los materiales realmente nos inspiran”, dijo Zhang.

Esta investigación fue apoyada en parte por la Oficina de Ciencias del DOE.

Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en Berkeley Lab.

# # #

Fundada en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 13 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.