Cercetătorii demonstrează controlul optic al mișcării skyrmionilor magnetici
O echipă de cercetători de la Universitatea Waseda din Japonia a demonstrat prin simulări micromagnetice că fasciculele de skyrmioni optici pot controla mișcarea skyrmionilor magnetici, deschizând calea către o nouă metodă de manipulare fără contact a acestor structuri topologice. Studiul, condus de profesorul Masahito Mochizuki de la Departamentul de Fizică Aplicată și de dr. Lan Bo, cercetător postdoctoral JSPS, împreună cu dr. Xichao Zhang, a fost publicat în revista Physical Review Letters.
Skyrmionii magnetici sunt structuri de magnetizare cu aspect de vârtej care se formează în interiorul anumitor materiale magnetice. Datorită dimensiunilor extrem de mici și energiei reduse necesare pentru a fi deplasați, aceștia sunt considerați candidați promițători pentru tehnologiile viitoare de stocare și procesare a informației. Omologii lor din domeniul opticii, skyrmionii optici, reprezintă texturi structurate de polarizare ale câmpurilor electromagnetice care împărtășesc aceeași descriere topologică fundamentală.
Deși cele două fenomene au fost studiate în mod separat în domeniile magnetisnului și fotonicei, întrebarea fundamentală care a stat la baza cercetării a fost dacă topologia luminii poate controla dinamica unui skyrmion magnetic. Dr. Lan Bo a explicat că inspirația pentru studiu a venit dintr-o întrebare simplă: ce se întâmplă atunci când două forme diferite de topologie, una din materie și una din lumină, se întâlnesc.
Trei tipuri distincte de traiectorii identificate
Echipa a explorat modul în care un fascicul de skyrmioni optici afectează mișcarea unui singur skyrmion magnetic pe un strat magnetic subțire. Fasciculul a fost creat folosind două moduri de lumină structurată cunoscute sub numele de moduri Laguerre-Gaussiene, ale căror proprietăți combinate de fază și polarizare generează un model de polarizare de tip skyrmion.
Analizând rezultatele simulărilor, cercetătorii au identificat trei tipuri distincte de mișcare. Primul tip este o mișcare de rotație în jurul unei orbite fixe, cu raza definită de gradientul de intensitate al luminii. Al doilea tip corespunde unor deviații localizate de la această orbită, numite de cercetători „sărituri”. Al treilea tip este o traiectorie buclei cunoscută sub numele de mișcare trohoidală.
Cercetătorii au arătat că fiecare dintre aceste comportamente poate fi atribuit diferitelor proprietăți ale câmpului luminos incident. Cel mai notabil, direcția mișcării de săritură este controlată de direcția de rotație a câmpului vectorial din skyrmionul optic, precum și de chiralitatea skyrmionului magnetic.
Spre procesarea programabilă a informației magnetice
Rezultatele sugerează că modificările în intensitatea, faza și structura de polarizare a câmpului optic pot fi utilizate pentru a altera cu precizie traiectoria unui skyrmion magnetic. Potrivit profesorului Mochizuki, descoperirile stabilesc o nouă punte între fotonica topologică și magnetismul topologic, deschizând o rută către controlul fără contact și programabil al skyrmionilor magnetici.
Mișcarea de rotație indusă ar putea oferi o bază pentru captarea și manipularea optică a skyrmionilor magnetici, în mod similar pensetelor optice, în timp ce mișcarea de săritură controlată de helicitate ar putea permite direcționarea selectivă a traiectoriilor și conversia informației optice în mișcare magnetică. Mișcarea trohoidală ar putea furniza, de asemenea, un răspuns de tip oscilator reglabil optic.
Această interacțiune între informația codificată în structura luminii și mișcarea magnetică ar putea constitui o fundație pentru viitoarele tehnologii optomagnonice și spintronice. Profesorul Mochizuki a concluzionat că tehnologiile informaționale viitoare necesită modalități mai rapide, mai mici și mai eficiente energetic de stocare și procesare a informației, iar skyrmionii magnetici sunt candidați atractivi pentru astfel de tehnologii.
