Figura 1. Panel a: esbozo de los apilamientos multicapa, b: magnetizaciones de una diana skyrmion (TSK) y de un Hopfión. c: imágenes dicroicas calculadas a partir de microscopía de rayos X y PEEM. La dirección del fotón angular está indicada para X-PEEM (dentro del plano y fuera del plano) y MTXM (sólo fuera del plano). Las zonas sombreadas de color amarillo en la parte superior de las estructuras del panel b representan aproximadamente la profundidad de sondeo de PEEM. En el caso de MTXM, los rayos X atraviesan todo el espesor de la muestra.
Cerdanyola del Vallès, 26 de marzo de 2021. Uno de los campos activos de la tecnología informática en el área de la espintrónica es la búsqueda de entidades magnéticas eficientes para transportar información magnética a través de un circuito magnético. Las singularidades magnéticas en materiales ferromagnéticos o antiferromagnéticos se consideran buenas candidatas, ya que a menudo son lo que se denomina "protegido topológicamente", lo que significa que son estables frente a las perturbaciones. Las singularidades más famosas de los últimos años son los skyrmions. Estos son distribuciones de imantación continua, que tienen en el centro y en su periferia magnetizaciones perpendiculares opuestas y que presentan un parecido entremedio con las paredes de Neel y las de Bloch. Son singularidades bidimensionales, ya que en una dirección (generalmente definida como dirección z para una magnetización en el plano x-y) la magnetización no cambia. Un subgrupo de la familia skyrmion son las llamadas dianas skyrmions. En este caso, la magnetización perpendicular cambia varias veces a lo largo de la dirección radial, como por ejemplo ↓ ↑ ↓ ↑ del centro al borde. El trabajo teórico indica que las dianas skyrmions se pueden transformar en Hopfions, que son distribuciones magnéticas tridimensionales constituidas a partir de cuerdas skyrmion, que forman un bucle cerrado. Se sabe que existen quasipartículas de Hopfión (nombre proveniente del matemático Heinz Hopf) en cristales líquidos, pero no en películas delgadas magnéticas o heteroestructuras. En los sistemas magnéticos, su estabilidad se debe al correcto equilibrio de la interacción de intercambio que favorece las orientaciones paralelas o antiparalelas y la interacción Dzyaloshinksi-Moriya que favorece la inclinación de la magnetización.
Una colaboración entre científicos estadounidenses basada en la Advanced Light Source (ALS) y científicos asociados a MISTRAL ha hecho posible la publicación recién de un artículo que proporciona una fuerte evidencia de la existencia de Hopfions magnéticos en heterostructures magnéticas. El trabajo se basa en cuatro pilares: 1) las simulaciones magnéticas que permiten predecir las texturas de imantación, 2) la fabricación de apilamientos magnéticos adecuados especialmente diseñados para alojar dianas skyrmions o Hopfions, 3) las medidas con PEEM a ALS y 4) microscopía de transmisión de rayos X magnéticos (MTXM) en ALBA. Las imágenes dicroicas PEEM cartografiaron la magnetización superficial, mientras que MTXM proporcionó información de todas las múltiples capas. La combinación de ambos conjuntos de medidas de las mismas muestras proporcionó evidencias de texturas magnéticas y las esperadas por parte de los Hopfions.
La figura 1a muestra el apilamiento de las capas múltiples fabricadas con pulverización catódica DC. La capa superior se hizo para acoger una diana skyrmion y la inferior para acoger un Hopfión. El tablero b ilustra las magnetitzacions calculadas correspondientes de una diana skyrmion del apilamiento de tres capas y de un Hopfión para el apilamiento 3x10. Cabe señalar que la diana skyrmion tiene una magnetización perpendicular radial tal como ↑ ↓ ↑ (flechas negras, blancas y negras). El Hopfión también tiene la misma secuencia de imantación perpendicular, pero muestra un giro de la magnetización skyrmion. El panel c de la figura simula las imágenes dicroicas de PEEM y las magnéticas de TXM que muestran una discrepancia sorprendente entre las imágenes X-PEEM para la diana skyrmion y el Hopfión.
La figura 2 muestra los resultados representativos de las medidas.
Como se ve en la figura, las imágenes PEEM muestran un contraste diferente en ambos lados de la estructura, que corresponde a dos magnetizaciones opuestas en el plano, como se esperaba de las simulaciones (fig. 1c, panel inferior), mientras que TXM presenta una simetría circular que se debe a la suma de las contribuciones individuales de las diferentes capas de Co a lo largo del hacinamiento.
Aunque la combinación presentada de X-PEEM y MTXM no es una reconstrucción directa y completa en 3D de la textura de rotación con resolución espacial nanométrica, los resultados obtenidos ofrecen indicaciones contundentes en cuanto a la estabilización de los Hopfions magnéticos en las multicapas magnéticas como se prevé desde la teoría. Basándose en los desarrollos actuales de métodos topográficos, en particular aquellos que explotan la coherencia espacial de los rayos X, como es el caso de las fuentes de cuarta generación, se puede anticipar que la resolución nanométrica está al alcance. Los resultados aquí presentados abren la puerta a la explotación de nuevos fenómenos en Hopfions magnéticos, incluida la dinámica de Hopfión que podría conducir a nuevas aplicaciones en la espintrónica tridimensional. Por ejemplo, el girovector desaparecido en Hopfions permitiría dispositivos racetrack que no se ven afectados por efectos Hall indeseables, los cuales parecen limitar estos dispositivos basados en skyrmions.
Fig 2. Tablero a: imágenes dicroicas PEEM en la energía de absorción Co L3 para dos direcciones diferentes del haz de rayos X entrante (flechas rojas). Las muestras son cilindros nominalmente idénticos de apilamientos de 3x10, tal como se muestra en la figura 1a y tienen un diámetro de 400 nm. Panel b: imágenes de transmisión dicroica de rayos X con incidencia normal. Barras de escala 500 nm.
