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(noticias nanowerk) Las estructuras magnéticas exóticas, como los skyrmions, también se denominan partículas topológicas. Como se pueden mover fácilmente dentro de un cristal, se los considera portadores de información prometedores para el futuro. Científicos de Jülich, China y Suecia han creado y observado por primera vez un Hopfion estable en un sólido: un objeto magnético tridimensional a nanoescala que está relacionado con los skyrmions. Debido a su compleja textura y tridimensionalidad, el descubrimiento de los iones Hopf abre una nueva dirección de investigación para las partículas magnéticas 3D que podría conducir a novedosos ordenadores neuromórficos y de almacenamiento de datos de próxima generación.
La investigación fue reportada Naturaleza (“Anillos de lúpulo en un imán quiral cúbico”).
![Micrografías electrónicas (coloreadas) de varios iones de lúpulo.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64117_1.jpg)
Pequeños vórtices magnéticos, los llamados skyrmions, causan revuelo entre los expertos desde hace unos veinte años. A diferencia de otras excitaciones que se producen en los sistemas magnéticos, los skyrmions son muy estables debido a sus denominadas propiedades topológicas. Y al igual que las partículas ordinarias, pueden moverse e interactuar bajo la influencia de fuerzas externas.
En un cristal, estos vórtices skyrmion bidimensionales se apilan y forman algo así como hilos que recorren todo el cristal desde una superficie de muestra a la otra. Por el contrario, los hopfions son configuraciones compactas que se asemejan a pequeños bucles cerrados o nudos de cuerdas de skyrmion. Los lúpulos siguieron siendo objeto de investigaciones exclusivamente teóricas durante décadas. Se planteó la hipótesis de que los iones de Hopf se descubrirían en configuraciones distintas en ciertos materiales magnéticos.
El experimento, realizado en el Forschungszentrum Jülich, reveló que los hopfiones realmente existen y que de hecho pueden acoplarse en cadenas de skyrmion, una configuración conocida como «anillo de hopfion». Los anillos de hopfion se envuelven alrededor de cuerdas de skyrmion ordinarias como un anillo en el dedo. El resultado es una estructura extremadamente flexible. Los anillos de Hopfion pueden moverse fácilmente hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la cuerda o junto con ella en cualquier dirección espacial, lo que los convierte en un candidato prometedor como portadores de información en diversas tecnologías informáticas futuras.
![Magnetización del anillo de Hopfion alrededor de una cuerda de skyrmion](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64117_2.jpg)
“La textura magnética más compleja jamás descubierta”
“Este proyecto estuvo lleno de desafíos desde el principio. «Tuvimos que encontrar el tamaño y la forma correctos de la muestra, verificar su calidad y luego pasar cientos de horas en el microscopio investigando diferentes enfoques para excitar el sistema para obtener anillos de Hopfion», dice Fengshan Zheng, primer autor de Nature. publicación. El profesor titular de la Universidad Tecnológica del Sur de China en Guangzhou llevó a cabo la mayor parte del trabajo de investigación en el Centro Jülich Ernst Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones (ER-C).
“Los anillos de Hopfion que encontramos pueden ser la textura más compleja jamás observada experimentalmente en cristales magnéticos tridimensionales. «La belleza de un fenómeno físico en sí y la elegancia matemática de la teoría detrás de él son apasionantes», dice el Dr. Nikolai Kiselev del Instituto Jülich Peter Grünberg (PGI-1).
“No se trata de un descubrimiento accidental. Disponemos de un protocolo y podemos producir el lúpulo en cualquier momento previa solicitud. Estoy convencido de que este trabajo abre nuevas posibilidades para el desarrollo de futuros dispositivos de almacenamiento de datos y componentes para ordenadores neuromórficos”, añade el profesor Stefan Blügel, director del PGI-1.
«La detección de anillos de Hopfion en materiales magnéticos es un resultado central del proyecto 3D-MAGiC, para el cual Stefan Blügel y yo, junto con dos colegas, recibimos una beca ERC Synergy Grant del Consejo Europeo de Investigación en 2019», dice el profesor Rafal Dunin-Borkowski, director del Centro Jülich Ernst Ruska de Microscopía y Espectroscopía con Electrones (ER-C).
![Simulaciones por computadora de anillos de Hopfion con diferentes cargas topológicas](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id64117_3.jpg)
Sólo unas pocas decenas de nanómetros de tamaño
La existencia de los anillos de Hopfion se deriva de las leyes de la mecánica cuántica y del electromagnetismo. Simulaciones informáticas avanzadas confirmaron el fenómeno observado y también proporcionaron a los científicos una explicación del papel de las hebras de Skyrmion. Aparentemente estabilizan los lúpulos y los protegen del colapso. El análisis teórico del socio sueco Dr. Filipp Rybakov relacionó los fenómenos observados con la teoría matemática más básica de los grupos de homotopía.
Los iones Hopf observados por los investigadores en los experimentos actuales tienen un diámetro de varias decenas de nanómetros en una placa con una longitud de borde de un micrómetro. La placa se cortó a partir de un monocristal de hierro y germanio más grande y de alta calidad fabricado por Haifeng Du en el Laboratorio de Alto Campo Magnético en China. Estos cristales pertenecen a una clase de los llamados imanes quirales. En estos materiales, los momentos magnéticos no están dispuestos uniformemente como en la mayoría de los demás cristales magnéticos, sino más bien en espiral. El equipo de científicos sostiene que las estructuras magnéticas tridimensionales observadas no sólo se encuentran en el hierro germanio, sino que también deberían encontrarse en muchos otros imanes quirales con una simetría cristalina similar.
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