Bias-field control of the Neel skyrmion nonlinearity in a confined nanostructure

Nel mondo dell'elettronica moderna, il flusso di elettricità viene solitamente trattato come l'acqua in un tubo: costante, prevedibile e uniforme. Tuttavia, un campo più recente chiamato spintronica osserva una proprietà diversa degli elettroni: il loro spin. Immaginate ogni elettrone come una piccola trottola che ruota. In certi materiali magnetici, queste trottole possono disponersi in modelli vorticosi che sono stabili ma flessibili. Uno dei modelli più affascinanti è chiamato skyrmione. È un vortice microscopico di magnetismo, grande circa quanto un virus, che può essere spinto attraverso un materiale senza sfaldarsi. Poiché queste strutture sono così piccole e stabili, gli scienziati le vedono come potenziali mattoni per la prossima generazione di computer, capaci di memorizzare informazioni o eseguire calcoli in modi che i tradizionali chip al silicio non possono fare.

La sfida è stata capire come controllare questi magneti rotanti con precisione. Sebbene i ricercatori abbiano imparato come muoverli, controllare il modo specifico in cui vibrano o oscillano è rimasto difficile. Queste vibrazioni sono cruciali perché possono agire come minuscoli generatori di segnale, simili ai cristalli di quarzo in un orologio, ma molto più piccoli e potenzialmente più versatili. Un recente studio condotto da un team di fisici in Russia ha compiuto un passo avanti significativo, mostrando come sintonizzare queste vibrazioni utilizzando un semplice campo magnetico. Studiando un minuscolo cilindro piatto di materiale magnetico contenente un singolo skyrmione, i ricercatori hanno scoperto di poter non solo cambiare la velocità della vibrazione, ma anche alterare fondamentalmente la natura della vibrazione stessa, passando da un tipo di comportamento a un altro semplicemente regolando l'intensità di un magnete esterno.

I ricercatori si sono concentrati su un tipo specifico di skyrmione, noto come skyrmione di Néel, che si forma in film molto sottili di materiale magnetico. Hanno immaginato questa struttura come un piccolo disco rotante intrappolato all'interno di un nanocilindro largo solo 50 nanometri e spesso meno di un nanometro. Per capire come si muove questo skyrmione, hanno dovuto tenere conto del fatto che non è un oggetto rigido. Quando lo skyrmione si allontana dal centro del cilindro, viene schiacciato e distorto dai bordi del materiale, proprio come una palla morbida che si deforma quando viene premuta contro un muro. Il team ha sviluppato un modello matematico che tratta lo skyrmione come una forma flessibile che cambia dimensione ed energia a seconda di dove si trova e di quanto sia forte il campo magnetico circostante. Hanno testato il loro modello contro dettagliate simulazioni al computer per garantire che le loro equazioni riflettessero accuratamente la realtà fisica del sistema.

Il cuore della loro scoperta risiede nel modo in cui un campo magnetico esterno, applicato perpendicolarmente alla superficie del cilindro, influenza il comportamento dello skyrmione. Quando i ricercatori hanno variato l'intensità di questo campo magnetico, hanno osservato due effetti distinti. In primo luogo, il campo ha agito come una manopola di sintonizzazione per la frequenza dell'oscillazione dello skyrmione, permettendo loro di accelerarla o rallentarla a piacimento. Questa è una capacità utile per creare dispositivi che devono operare a frequenze specifiche. Tuttavia, il risultato più sorprendente è stato l'effetto sulla non linearità del sistema. In termini semplici, la non linearità descrive come la vibrazione cambi man mano che diventa più intensa o energetica. In molti sistemi, questa relazione è fissa, ma il team ha scoperto che, regolando il campo magnetico, potevano far invertire questa relazione.

Nello specifico, i ricercatori hanno scoperto un punto critico in cui il campo magnetico causava l'inversione del segno del coefficiente di non linearità. Ciò significa che, quando il campo superava una certa soglia, il modo in cui lo skyrmione rispondeva agli input di energia cambiava completamente. A un'intensità di campo, aumentare l'energia poteva causare lo spostamento della frequenza in una direzione, mentre a un'intensità di campo leggermente diversa, lo stesso aumento di energia avrebbe causato lo spostamento della frequenza nella direzione opposta. Questo inversione era chiaramente visibile nella forma dei picchi di risonanza, che sono le firme di come il sistema risponde a diverse frequenze. Le simulazioni hanno mostrato che questo cambiamento non era un piccolo aggiustamento, ma un cambiamento fondamentale nella dinamica dell'oscillatore.

La ragione di questo cambiamento drammatico risiede nell'interazione tra lo skyrmione e il confine del materiale. Il campo magnetico altera la dimensione dello skyrmione e cambia il modo in cui interagisce con i bordi del cilindro. Quando il campo punta in una direzione, restringe lo skyrmione e indebolisce la sua interazione con il bordo, dandogli più spazio per muoversi. Quando il campo punta nella direzione opposta, espande lo skyrmione e rafforza l'interazione con il bordo, comprimendolo efficacemente. Questo cambiamento di dimensione e di interazione modifica il paesaggio energetico attraverso il quale si muove lo skyrmione, il che a sua volta inverte il segno della non linearità. Il team ha confermato che le loro previsioni teoriche corrispondevano alle simulazioni al computer con un alto grado di precisione, con differenze inferiori al dieci per cento.

Questa capacità di controllare le proprietà non lineari di un oscillatore a skyrmione semplicemente cambiando un campo magnetico apre nuove possibilità per il futuro dell'informatica. I ricercatori suggeriscono che questi elementi sintonizzabili potrebbero essere utilizzati per creare componenti per l'informatica neuromorfica, ovvero sistemi progettati per imitare il modo in cui il cervello umano elabora le informazioni. Nel cervello, i neuroni possono attivarsi in schemi complessi e non lineari per apprendere e adattarsi. Essendo in grado di passare il comportamento di un oscillatore a skyrmione da un tipo di non linearità a un altro, gli ingegneri potrebbero potenzialmente costruire hardware che può essere riconfigurato per eseguire diversi tipi di compiti di apprendimento. Sebbene lo studio sia stato condotto attraverso modellazione teorica e simulazioni al computer piuttosto che attraverso esperimenti fisici, i risultati forniscono una chiara tabella di marcia su come tali dispositivi potrebbero essere costruiti e controllati, portando il concetto di computing basato su skyrmioni più vicino alla realtà.