Um objeto nano difícil de descrever chamado skyrmion magnético pode um dia dar origem a novos dispositivos microeletrônicos que podem fazer muito mais – por exemplo, armazenar enormes quantidades de dados – enquanto consomem muito menos energia.
No entanto, para que os skyrmions possam ser usados de forma confiável em dispositivos de computação, incluindo computadores quânticos, os pesquisadores precisam entendê-los ainda melhor. Peter Fischer, pesquisador sênior do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) do Departamento de Energia, liderou um projeto para criar imagens 3D de raio-X de skyrmions, que podem ser usadas para caracterizar ou medir a orientação do spin em todo o objeto. "Nossos resultados fornecem a base para a nanotecnologia para dispositivos spintrônicos", disse Fischer. O trabalho foi publicado recentemente na Science Advances.
Os skyrmions magnéticos podem ser imaginados como círculos magnéticos giratórios, explica David Raftrey, um pesquisador de pós-doutorado na equipe de Fischer que foi o principal autor deste estudo. No centro, o spin magnético aponta para cima, enquanto o magnetismo gira para longe do centro e aponta para baixo. Além disso, os skyrmions são estáveis, pequenos, rápidos e não se desdobram facilmente, uma propriedade que os cientistas de materiais chamam de "topológica".
Essas orientações de spin são parte do apelo dos skyrmions, pois poderiam ser usadas para transmitir e armazenar informações, de forma semelhante a como os elétrons transmitem e armazenam informações em dispositivos atuais. “No entanto, se você depender da carga do elétron, como fazemos hoje, alguma energia será perdida inevitavelmente. Ao usar spins, as perdas são significativamente menores”, disse Fischer.
O conhecimento teórico sobre skyrmions, no entanto, baseava-se em sua descrição como objetos 2D. No mundo real da eletrônica e dos discos de silício – não importa o quão finos sejam – os skyrmions devem ser tratados como objetos 3D. Para tornar os skyrmions úteis, ou talvez um dia para sintetizar skyrmions sob medida, os pesquisadores precisam ser capazes de examinar e entender suas propriedades de spin em todo o objeto 3D.
Se você olhar para um vórtice de skyrmion magnético de cima e começar a cortar camadas, pode pensar que cada camada seria igual a outra. “Mas esse não é o caso”, disse Raftrey. “E nós dissemos: Ok, como podemos lidar com isso? Como realmente demonstramos isso?”
Raftrey pegou uma fina camada magnética sintetizada por colegas da Western Digital e a usou para criar um disco nano usando a instalação de nanofabricação da Molecular Foundry. Para obter imagens de tomografia 3D, ele viajou para a Suíça para aplicar uma técnica de imagem inovadora chamada laminografia de raios-X magnéticos em uma linha de feixe de microscopia na Swiss Light Source.
Usando a laminografia de raios-X, “você pode basicamente reconfigurar e reconstruir [o skyrmion] a partir dessas muitas, muitas imagens e dados”, disse Raftrey. Esse processo levou meses e, finalmente, resultou em uma melhor compreensão das estruturas de spin dos skyrmions.
