Un equipo de investigación de la Universidad Estatal de Florida sintetizó recientemente un material cristalino completamente nuevo. Sus espines atómicos internos ya no están ordenados ordenadamente como los imanes tradicionales, sino que forman una "textura de espín" similar a un vórtice que se repite regularmente. Presenta un comportamiento magnético completamente diferente al de los materiales magnéticos convencionales. Se espera que sirva para almacenamiento de datos de alta densidad, dispositivos electrónicos de baja energía y futura tecnología de la información cuántica.
Los investigadores utilizaron una ingeniosa estrategia de "competencia estructural": mezclar dos compuestos con composiciones químicas similares pero diferentes simetrías cristalinas: uno compuesto de manganeso, cobalto y germanio, y el otro compuesto de manganeso, cobalto y arsénico, que son vecinos en la tabla periódica. Las dos estructuras cristalinas no pueden permanecer completamente estables al mismo tiempo en la unión de los componentes, lo que produce la llamada "frustración estructural". Esta inestabilidad se "traduce" en "frustración" magnética a nivel microscópico, lo que obliga a los espines atómicos a distorsionarse y, finalmente, organizarse espontáneamente en patrones periódicos de vórtices dentro del cristal.
En los imanes convencionales, una gran cantidad de espines atómicos apuntan claramente en la misma dirección como pequeñas flechas, o en una simple disposición antiparalela, creando el familiar magnetismo macroscópico utilizado en dispositivos como discos duros de computadoras y teléfonos inteligentes. En los nuevos materiales descubiertos por el equipo de investigación científica en este trabajo, los espines ya no simplemente se alinean, sino que forman estructuras más complejas en forma de anillos y ondas, las llamadas "texturas de espín", que incluyen configuraciones espirales o cicloidales similares a los "skyrmions". Este tipo de estructura de espín topológico es un punto de investigación de vanguardia en los campos de la física de la materia condensada y la química de materiales.
Para determinar esta estructura magnética similar a un skyrmion, el equipo utilizó la instalación de usuario "Splash Neutron Source" del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. para realizar mediciones precisas en la muestra en el difractómetro de neutrones monocristalino TOPAZ, y lo combinó con herramientas de aprendizaje automático y procesamiento de datos recientemente desarrolladas para analizar la compleja estructura magnética con alta confianza. Los investigadores señalaron que esta capacidad les permite no sólo "descubrir" extrañas texturas de espín, sino también avanzar hacia "diseñar y optimizar" estas estructuras magnéticas bajo demanda, proporcionando un nuevo camino para el diseño de materiales en la tecnología de la información y cuántica.
Desde la perspectiva de las perspectivas de aplicación, este tipo de material con una textura de espín similar a la de un skyrmion se considera prometedor para desarrollar discos duros o medios de almacenamiento con mayor densidad de información y mejorar la eficiencia de la transmisión de electrones. Dado que la energía necesaria para controlar skyrmions a través de campos magnéticos es extremadamente baja, se espera que su introducción en dispositivos electrónicos o espintrónicos reduzca significativamente el consumo de energía. Especialmente en grandes sistemas de supercomputación con miles o incluso decenas de miles de procesadores, los ahorros en costos de energía y refrigeración pueden ser extremadamente considerables.
Además, los investigadores creen que esta idea de diseño basada en la "frustración estructural" también puede proporcionar pistas para encontrar materiales que puedan usarse para construir qubits "tolerantes a fallos". La llamada computación cuántica tolerante a fallas se refiere al uso de diseño estructural y de materiales para permitir que la información cuántica se almacene y funcione de manera estable en entornos reales con ruido y errores. Se considera el "santo grial" del procesamiento de información cuántica, y los materiales de textura de espín complejos se consideran un camino potencial para lograr dicha solución.
A diferencia de la ruta anterior que se basó más en la "búsqueda de materiales", esta investigación enfatiza una especie de "pensamiento químico": ya no solo "buscar" candidatos con simetría específica en la biblioteca de materiales conocida, sino partir de la relación intrínseca entre estructura y espín, diseñando activamente la combinación de ingredientes y estructura cristalina para inducir la textura magnética esperada. El equipo de investigación afirmó que esperan desarrollar una capacidad predictiva: estableciendo de antemano la combinación de elementos y estructuras, podrán deducir posibles nuevos materiales y sus características magnéticas en el papel, en lugar de depender únicamente del ensayo y error experimental.
Un beneficio adicional importante de este método es que se espera ampliar en gran medida la selección de materias primas que se pueden utilizar para producir texturas de espín similares a skyrmion, encontrando así un sistema de materiales con costos más bajos, un crecimiento de cristales más fácil y una cadena de suministro más robusta, que es más propicia para futuras aplicaciones tecnológicas a gran escala. Los resultados relacionados se publicaron en el Journal of the American Chemical Society con el título "La aparición de texturas de espín similares a skyrmion en materiales originados por frustración estructural". Las instalaciones de investigación utilizadas incluyen la plataforma experimental de la Universidad Estatal de Florida y la instalación de dispersión de neutrones del Laboratorio Nacional Oak Ridge, y fueron financiadas por la Fundación Nacional de Ciencias.
Compilado de /ScitechDaily