En los últimos años, los físicos descubrieron estructuras sólidas exóticas, predichas desde hace tiempo en los materiales magnéticos. El caso de los monopolos magnéticos es famoso, pero descubrimos también varios ejemplos de skyrmiones.
En 2009, investigadores alemanes de la Universidad de Colonia y la Technische Universitaet Muenchen (TUM) en Munich demostraron la existencia de cristales de skyrmiones magnéticos. Los skyrmiones son solitones, un tipo de paquetes de energía estables, descritos por ecuaciones en derivadas parciales no lineales. Uno de los ejemplos más conocidos es en hidrodinámica. Esta es la marea taladro (mascaret), una ola solitaria observada por primera vez por el escocés John Scott Russell en el siglo XIX, tras una ola de kilómetros corriente arriba y que no mostraba signos de dedebilitamiento.
Debido a su carácter estable, se ha sugerido repetidamente que las partículas elementales son solitones. Esto había sugerido el físico británico, Tony Skyrme hace más de cincuenta años. Las partículas de Skyrme, nombradas en su honor skyrmiones, pueden ser vistas como vórtices que llevan momento angular en un medio continuo, tales como paquetes de átomos con su espín, un momento angular intrínseco, orientado en un campo magnético. A menudo la estabilidad se explica en relación con la topología, una rama de la geometría.
Por primera vez se han detectado en un compuesto a base de manganeso y silicio. Pero los investigadores japoneses se apresuraron a demostrar que el fenómeno también apareció en otros medios magnéticos en la física del estado sólido.
Miniaturizados memorias magnéticas con skyrmiones
Los skyrmiones pueden estar formada con sólo una docena de átomos y se pueden utilizar para almacenar bits de información. Sin embargo, se necesita aproximadamente un millón de átomos magnéticos orientados en la misma dirección para almacenar un bit de un disco duro o una cinta magnética. Dominar la escritura y la lectura de los datos mediante skyrmiones en cristales magnéticos es una nueva vía de investigación que podría hacer disminuir aún más el tamaño de las memorias magnéticas. De manera más general, estos skyrmiones son interesantes en la espintrónica.
Los trabajos de los investigadores de la Universidad de Colonia y la Technische Universität München (TUM), han sido publicados en la revista Nature, y están disponibles en arXiv en esta dirección.
Utilizando haces de neutrones, los físicos han descubierto que las densidades de corriente eléctrica (en amperios/m2) son 100 000 veces inferiores a las utilizadas para manipular los bits en las memorias magnéticas habituales, y son suficientes para manejar los skyrmiones. En teoría, esto significa que es posible almacenar y manipular la información en medios magnéticos mucho más pequeños que los actualmente disponibles y con menos energía.
Podemos esperar otra fuente de tecnología en el futuro, con cristales de skyrmiones. Pero no podemos ignorar la gran dificultad que hay que superar antes de que esta tecnología en el futuro sea cotidiana en nuestra vida. Las propiedades de conducción descubiertas por los investigadores solamente pueden funcionar a temperaturas muy bajas. Como sucede con la superconductividad, se deben lograr los mismos fenómenos a temperatura ambiente.
Diagrama que muestra la conmutación compleja de la orientación del espín de un electrón (flecha negro) que pasa sobre un skyrmión magnético. La corrientes de electrones no necesita ser intensa en determinadas condiciones para que en el manejo de skyrmiones interactúen con ellos. © Technische Universität München (TUM)