Figura 1. Tauler a: esbós de l'apilament multicapa, b: magnetitzacions d’una diana skyrmion (TSk) i d’un Hopfió. c: imatges dicroiques calculades a partir de microscòpia de raigs X i PEEM. La direcció del fotó angular està indicat per a X-PEEM (dins del pla i fora del pla) i MTXM (només fora del pla). Les zones ombrejades de color groc en la part superior de les estructures del panell b representen aproximadament la profunditat de sondeig de PEEM. En el cas de MTXM, els rajos X travessen tot el gruix de la mostra.

Cerdanyola del Vallès, X de març de 2021.

 Un dels camps actius de la tecnologia informàtica en l’àrea de l’espintrònica és la cerca d’entitats magnètiques eficients per transportar informació magnètica a través d’un circuit magnètic. Les singularitats magnètiques en materials ferromagnètics o antiferromagnètics es consideren bones candidates, ja que sovint són el que s’anomena “protegit topològicament”, cosa que significa que són estables envers les pertorbacions. Les singularitats més famoses dels darrers anys són els skyrmions. Aquests són distribucions d’imantació contínua, que tenen al centre i a la seva perifèria magnetitzacions perpendiculars oposades i que presenten una semblança en un entremig amb les parets de Neel i les de Bloch. Són singularitats bidimensionals, ja que en una direcció (generalment definida com a direcció z per a una magnetització en el pla x-y) la magnetització no canvia. Un subgrup de la família skyrmion són les anomenades dianes skyrmions. En aquest cas, la magnetització perpendicular canvia diverses vegades al llarg de la direcció radial, com per exemple ↓ ↑ ↓ ↑ del centre a la vora. El treball teòric indica que les dianes skyrmions es poden transformar en Hopfions, que són distribucions magnètiques tridimensionals constituïdes a partir de cordes skyrmion que formen un bucle tancat. Se sap que existeixen quasipartícules de Hopfió (nom derivat del matemàtic Heinz Hopf) en cristalls líquids, però no en pel·lícules primes magnètiques o heteroestructures. En els sistemes magnètics, la seva estabilitat es deu al correcte equilibri de la interacció d’intercanvi que afavoreix les orientacions paral·leles o antiparal·leles i la interacció Dzyaloshinksi-Moriya que, alhora, afavoreix la inclinació de la magnetització.

Una col·laboració entre científics nord-americans basada en l’Advanced Light Source (ALS) i científics associats a MISTRAL ha fet possible la publicació recent d’un article que proporciona una evidència clara de l'existència de Hopfions magnètics en heterostructures magnètiques. El treball es basa en quatre pilars: 1) les simulacions magnètiques que permeten predir les textures d’imantació, 2) la fabricació de piles magnètiques adequades especialment dissenyades per allotjar dianes skyrmions o Hopfions, 3) les mesures amb PEEM a ALS i 4) la Microscòpia de transmissió de raigs X magnètics (MTXM) a ALBA. Les imatges dicroiques PEEM van cartografiar la magnetització superficial, mentre que MTXM va proporcionar informació de totes les capes múltiples. La combinació dels dos tipus de mesures en les mateixes mostres va proporcionar evidències de textures magnètiques i les esperades per part dels Hopfions.

La figura 1a mostra l'apilament de les capes múltiples fabricades amb polvorització catòdica DC. La capa superior es va fer per acollir una diana skyrmion i la inferior per acollir un Hopfió. El tauler b il·lustra les magnetitzacions calculades corresponents d'una diana skyrmion de l'apilament de tres capes i d'un Hopfió per a l'apilament 3x10. Cal destacar que la diana skyrmion té una magnetització perpendicular radial com ara ↑ ↓ ↑ (fletxes negres, blanques i negres). El Hopfió també té la mateixa seqüència d’imantació perpendicular, però mostra un gir de la magnetització skyrmion. El panell c de la figura simula les imatges dicroiques de PEEM i les magnètiques de TXM que mostren una discrepància sorprenent entre les imatges X-PEEM per a la diana skyrmion i el Hopfió. 

La figura 2 mostra els resultats representatius de les mesures.

Com es veu en la figura, les imatges PEEM mostren un contrast diferent en ambdós costats de l'estructura, que correspon a dues magnetitzacions oposades en el pla, tal com s'esperava de les simulacions (fig. 1c, panell inferior), mentre que TXM presenta una simetria circular que es deu a la suma de les contribucions individuals de les diferents capes de Co al llarg de l'apilament.

Tot i que la combinació presentada de X-PEEM i MTXM no és una reconstrucció directa i completa en 3D de la textura de rotació amb resolució espacial nanomètrica, els resultats obtinguts ofereixen indicacions contundents pel que fa a l’estabilització dels Hopfions magnètics en les multicapes magnètiques com es preveu des de la teoria. Basant-se en els desenvolupaments actuals sobre mètodes topogràfics, en particular aquells que exploten la coherència espacial dels raigs X, com és el cas de fonts de quarta generació, es pot anticipar que la resolució nanomètrica està a l’abast. Els resultats aquí presentats obren la porta a l'explotació de nous fenòmens en Hopfions magnètics, inclosa la dinàmica de Hopfió que podria conduir a noves aplicacions en l'espintrònica tridimensional. Per exemple, el girovector desaparegut en Hopfions permetria dispositius racetrack que no es veuen afectats per efectes Hall indesitjables, els quals semblen limitar aquests dispositius basats en skyrmions.

Fig 2. Tauler a: imatges dicroiques PEEM en l’energia d’absorció Co L3 per a dues direccions diferents del feix de raigs X entrant (fletxes vermelles). Les mostres són cilindres nominalment idèntics de piles de 3x10, tal com es mostra en la figura 1a i tenen un diàmetre de 400 nm. Tauler b: imatges de transmissió dicroica de raigs X amb incidència normal. Barres d’escala 500 nm.

Referència: Kent, N., Reynolds, N., Raftrey, D. et al. Creation and observation of Hopfions in magnetic multilayer systems. Nat Commun 12, 1562 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21846-5