Liberando el poder de los vórtices radiales

Los investigadores desarrollaron un método para crear y estabilizar texturas de espín complejas, como vórtices radiales, utilizando estructuras superconductoras y defectos superficiales. Este avance podría tener un impacto significativo en la espintrónica al permitir el uso de diversos materiales ferromagnéticos y mejorar el almacenamiento de datos y las operaciones lógicas con un menor consumo de energía. Crédito: SciTechDaily.com

Un equipo de HZB investigó un método nuevo y sencillo en BESSY II que puede utilizarse para crear vórtices magnéticos radialmente estables en películas magnéticas delgadas.

En algunos materiales, los espines forman estructuras magnéticas complejas dentro de la escala nanométrica y micrométrica en las que la dirección de la magnetización se dobla y tuerce en direcciones específicas. Ejemplos de tales estructuras son las burbujas magnéticas, los skyrmions y los vórtices magnéticos.

La espintrónica pretende utilizar estructuras magnéticas tan diminutas para almacenar datos o realizar operaciones lógicas con un consumo de energía muy bajo, en comparación con los componentes microelectrónicos dominantes en la actualidad. Sin embargo, la generación y estabilización de la mayoría de estos tejidos magnéticos se limita a unos pocos materiales y puede lograrse en condiciones muy específicas (temperatura, campo magnético…).

Un nuevo enfoque

Una colaboración internacional dirigida por el físico de HZB, Dr. Sergio Valencia, ha investigado un nuevo enfoque que puede usarse para crear y estabilizar texturas de espín complejas, como vórtices radiales, en una variedad de compuestos. En un vórtice radial, la magnetización apunta hacia o lejos del centro de la estructura. Este tipo de configuración magnética es generalmente muy inestable. Dentro de este nuevo enfoque, los vórtices radiales se crean con la ayuda de estructuras superconductoras mientras que su estabilización se logra mediante la presencia de defectos superficiales.

El equipo liderado por Sergio Valencia analizó las muestras con microscopía electrónica de fotoemisión utilizando XMCD en BESSY II. Las imágenes muestran las texturas de espín alineadas radialmente en una muestra redonda y cuadrada que consiste en un material ferromagnético en una isla superconductora YBCO. La flecha blanca muestra el haz de rayos X incidente. Crédito: © HZB

Superconductores de las islas YBCO

Las muestras consisten en islas del tamaño de un micrómetro hechas del superconductor de alta temperatura YBCO sobre el cual se deposita un compuesto ferromagnético. Al enfriar la muestra por debajo de 92 Kelvin (-181 °C), YBCO entra en estado superconductor. En este estado, se aplica un campo magnético externo que se elimina inmediatamente. Este proceso permite la penetración y fijación de los cuantos de flujo magnético, lo que a su vez crea un campo magnético parásito. Es este campo perdido el que produce nuevas microestructuras magnéticas en la capa ferromagnética superior: los espines irradian radialmente desde el centro de la estructura, como en un vórtice radial.

El papel de los defectos

A medida que aumenta la temperatura, YBCO pasa del estado superconductor a un estado normal. Entonces, el campo perdido creado por las islas YBCO desaparece, al igual que el vórtice radial magnético. Sin embargo, los investigadores y colaboradores del HZB observaron que la presencia de defectos en la superficie impide que esto suceda: los vórtices radiales conservan parcialmente el estado impreso, incluso cuando se acercan a la temperatura ambiente.

«Utilizamos el campo magnético generado por las estructuras superconductoras para imprimir ciertos campos magnéticos en los ferroimanes colocados sobre ellas y los defectos de la superficie para estabilizarlos. Las estructuras magnéticas son similares a las de un skyrmion y son interesantes para aplicaciones espintrónicas», explica Valencia.

Cuestiones de geometría

Los vórtices impresos más pequeños tenían aproximadamente 2 micrómetros de diámetro, aproximadamente diez veces el tamaño de los skyrmions típicos. El equipo estudió muestras con geometrías circulares y cuadradas y descubrió que las geometrías circulares aumentaban la estabilidad de los vórtices radiales magnéticos impresos.

«Se trata de una nueva forma de crear y estabilizar este tipo de estructuras y se puede aplicar en una variedad de materiales ferromagnéticos. Éstas son buenas nuevas perspectivas para un mayor desarrollo de la espintrónica superconductora», afirma Valencia.

Referencia: «Dependencia del tamaño y estabilidad a altas temperaturas de texturas de vórtices magnéticos radiales impresas por campos callejeros superconductores» por David Sanchez-Manzano, Gloria Orfila, Anke Sander, Lourdes Marcano, Fernando Gallego, Mohamad-Assaad Mawass, Francesco Grilli, Ashima Arora, Andrea Peralta, Fabián A. Cuellar, José A. Fernández-Roldán, Nicolás Reyren, Florian Kronast, Carlos León, Alberto Rivera-Calzada, Javier E. Villegas, Jacobo Santamaría y Sergio Valencia, 2 de abril de 2024, Interfaces y materiales aplicados de ACS.
DOI: 10.1021/acsami.3c17671