Antipartículas magnéticas ofrecen nuevos horizontes para tecnologías de la información

Materia y antimateria. /Joo-Von Kim, University Paris-Saclay

La base del funcionamiento de la electrónica es el movimiento de electrones en los circuitos es la base para crear funciones útiles. Una pregunta clásica de la Física es si sus principios rectores se aplicarían también a los positrones, su versión antipartícula. Además de su escasez en la naturaleza, la electrodinámica básica sugiere que todo funcionaría esencialmente de la misma manera con cargas positivas que negativas de electrones hasta una diferencia de signo, ya que los electrones y positrones se mueven en direcciones opuestas en campos electromagnéticos. Sin embargo, esta pregunta permanece abierta para partículas magnéticas a nanoescala llamadas skyrmions, que se consideran candidatos muy prometedores para las nuevas tecnologías de almacenamiento e información de datos. Ahora, un trabajo publicado en Nature Electronics revela un nuevo comportamiento equivalente al de la antipartícula de skyrmions en un material ferromagnético.

El equipo, de las universidades de Uppsala (Suecia), Kiel y Maguncia (Alemania) y Paris-Saclay (Francia), ha descubierto esta propiedad utilizando simulaciones informáticas avanzadas que pueden modelar con precisión las propiedades magnéticas de los materiales de espesor nanométrico. Los skyrmions representan remolinos de momentos magnéticos que se extienden a través de unos pocos nanómetros y se pueden encontrar en películas magnéticas de unos pocos átomos de grosor. De la misma manera que las esferas y las rosquillas tienen diferentes topologías, estos poseen una propiedad especial llamada carga topológica que desempeña un papel similar a las cargas eléctricas cuando se trata de su dinámica. Por ejemplo, si una fuerza aplicada hace que se desvíen hacia la izquierda, esa misma fuerza llevaría a los antiskyrmions, su homólogo antipartícula, a desviarse hacia la derecha. Desde las primeras observaciones experimentales en 2009, han sido el foco de una investigación intensa.

Los físicos de han demostrado que fenómenos mucho más ricos pueden ocurrir en ferromagnetas de espesor nanométrico en los que coexisten skyrmions y antiskyrmions. Mediante el uso de técnicas de simulación de última generación para calcular las propiedades y dinámicas magnéticas de tales películas, estudiaron cómo estos pares responden cuando se aplican corrientes eléctricas para ejercer una fuerza sobre ellos. A bajas corrientes, el comportamiento esperado se observa cuando las cargas topológicas opuestas se desvían en direcciones opuestas como resultado de las mismas fuerzas aplicadas. A medida que la corriente aumenta gradualmente, sin embargo, su movimiento ya no se refleja entre sí. Mientras los skyrmions continúan viajando en línea recta, los antiskyrmions comienzan a experimentar trayectorias curvas, inicialmente como transitorios y luego continuamente a medida que las corrientes aumentan. En este último, las trayectorias se asemejan a trocoides, similar a la curva trazada por el pedal de una bicicleta que se pedalea a lo largo de un camino recto. Estos sorprendentes resultados ilustran que las cargas topológicas opuestas en realidad pueden comportarse de manera muy diferente.

Pero aún había más sorpresas almacenadas. Al aumentar la cantidad de energía transferida al sistema a partir de las corrientes aplicadas, los investigadores encontraron que el movimiento trocoidal puede evolucionar a pares skyrmion-antiskyrmions que se crean periódicamente. Debido a que se mueven de manera diferente, los skyrmions creados se propagan fácilmente mientras que el movimiento trocoidal de los antiskyrmions significa que permanecen más localizados en el lugar donde se crean. Sorprendentemente, cada antiskyrmion creado posteriormente se convierte en una nueva fuente de pares, dando como resultado una proliferación de tales partículas. Para poner esto en perspectiva, esto es similar a enviar un solo positrón a través de un campo magnético fuerte y obtener un gas de electrones y positrones a cambio.

Además, el inicio del movimiento trocoidal establece el límite de velocidad final de tales cargas topológicas, que es un parámetro importante en el diseño de cualquier circuito futuro que utilice skyrmions. Más fundamentalmente, el trabajo puede proporcionar pistas para resolver un misterio más grande en las escalas cosmológicas, a saber, por qué hay más materia que antimateria en el universo observable. Después de todo, los skyrmions llevan el nombre de Tony Skyrme, un físico británico que propuso una teoría cuántica de partículas basada en "solitones topológicos", ondas no lineales especiales como los remolinos en skyrmions magnéticos. Debido a la asimetría en el movimiento de skyrmion y antiskyrmions, las simulaciones muestran que siempre hay un exceso de skyrmions después de la creación del par, por lo que el desequilibrio entre "materia" y "antimateria" en estas películas ferromagnéticas es una consecuencia natural de su dinámica en altas energías. En el universo magnético a nanoescala, al menos, la materia puede surgir naturalmente de una única semilla antipartícula.

"Las consecuencias de este trabajo teórico son potencialmente de gran alcance, ya que el estudio sugiere que los antiskyrmions podrían ser una fuente fácil de skyrmions. Esto sería crucial para cualquier aplicación que use skyrmions para transmitir y almacenar información", cuenta Ulrike Ritzmann, investigadora en la División de Teoría de Materiales de la Universidad de Uppsala.

Beatriz de Vera

Esta noticia ha sido publicada originalmente en N+1, ciencia que suma

Sobre N+1: Es la primera revista online de divulgación científica y tecnológica que permite la reproducción total o parcial de sus contenidos por medios de comunicación, bloggers e influencers, realizando la mención del texto y el enlace a la web: “Esta noticia ha sido publicada originalmente en la revista N+1, ciencia que sumawww.nmas1.org”.​​​​​​ 

Suscríbete

Déjanos tu mail para recibir nuestro boletín de noticias

La confirmación ha sido enviada a tu correo.