Um objeto em nanoescala difícil de descrever, chamado skyrmion magnético, poderá um dia produzir novos dispositivos microeletrônicos que podem fazer muito mais -; por exemplo, armazenamento massivo de dados -; tudo isso consumindo muito menos energia.
Mas os pesquisadores precisam de uma compreensão mais detalhada dos skyrmions para que possam ser usados de forma confiável em dispositivos computacionais, incluindo computadores quânticos. Peter Fischer, pesquisador sênior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia (Berkeley Lab), liderou um projeto para fazer imagens de raios X 3D de skyrmions que podem caracterizar ou medir as orientações dos spins dentro de todo o objeto. “Nossos resultados fornecem uma base para metrologia em nanoescala para dispositivos spintrônicos,” Fischer disse. O trabalho foi publicado recentemente em Avanços da Ciência.
Os skyrmions magnéticos podem ser considerados círculos giratórios de magnetismo, explica David Raftrey, estudante de pesquisa da equipe de Fischer e autor principal deste estudo. No centro, o spin magnético aponta para cima, enquanto se afasta do centro, o magnetismo gira e puxa na direção descendente. Além do mais, os skyrmions são estáveis, pequenos, rápidos e não se desdobram facilmente, uma característica que os cientistas de materiais chamam de “topológica”.
Essas direções de rotação fazem parte do apelo dos skyrmions porque podem ser usadas para transportar e armazenar informações da mesma forma que os elétrons transportam e armazenam informações em dispositivos atuais. “No entanto, confiar na carga do elétron, como é feito hoje, acarreta inevitáveis perdas de energia. Usando giros, as perdas serão significativamente menores,“, disse Fischer.
Mas o conhecimento teórico dos skyrmions tem sido baseado em descrições deles como objetos 2D. No mundo actual da eletrônica e dos wafers de silício -; não importa o quão magro seja -; skyrmions devem ser tratados como objetos 3D. Para colocar os skyrmions em funcionamento, ou talvez um dia sintetizar skyrmions personalizados, os pesquisadores devem ser capazes de examinar e compreender suas características de rotação em todo o objeto 3D.
Se você estiver olhando para um redemoinho magnético skyrmion de cima e começar a cortar camadas, você pode pensar que cada camada sucessiva seria a mesma. “Mas esse não é o caso”, disse Raftrey. “E nós dissemos, okay, como podemos abraçar isso- Como podemos realmente demonstrar isso-“
Raftrey pegou uma fina camada magnética, que foi sintetizada por colegas da Western Digital, e modelou um nanodisco usando as instalações de nanofabricação da Molecular Foundry. Para obter imagens tomográficas 3D, ele viajou para a Suíça para usar uma nova técnica de imagem chamada laminografia magnética de raios X em uma linha de luz de microscopia na Swiss Gentle Supply.
Com laminografia de raios X, “Você pode basicamente reconfigurar e reconstruir (o skyrmion) a partir dessas muitas, muitas imagens e dados,” Raftrey disse. Foi um processo que levou meses, finalmente rendendo uma melhor compreensão das estruturas de spin do skyrmion.
Uma compreensão completa da textura giratória 3D do skyrmions “abre oportunidades para explorar e adaptar dispositivos spintrônicos topológicos 3D com funcionalidades aprimoradas que não podem ser alcançadas em duas dimensões“, disse Fischer.
A Molecular Foundry é uma instalação de usuário do DOE Workplace of Science no Berkeley Lab.
O trabalho foi apoiado pelo DOE Workplace of Science.