Bimerones inducidos por luz en un imán quiral

Escribir pequeños remolinos magnéticos con luz

Los ordenadores modernos mueven información usando cargas eléctricas, lo que desperdicia energía en forma de calor. Los físicos exploran nuevas maneras de almacenar y transportar datos usando patrones estables y arremolinados de magnetismo que se comportan como partículas. Este estudio muestra que destellos de láser ultrarrápidos pueden "escribir" de forma fiable un tipo especial de remolino magnético, llamado bimerón, en un cristal delgado a temperatura ambiente, y que estos remolinos pueden ajustarse con un campo magnético moderado. El trabajo apunta hacia futuros dispositivos de memoria y lógica de baja energía controlados por luz en lugar de cables.

Pequeños nudos magnéticos como portadores de información

En algunos imanes, los diminutos imanes atómicos no se alinean todos; en vez de eso, se retuercen formando pequeños remolinos llamados texturas de espín topológicas. Debido a que esos giros no pueden deshacerse sin una reorganización importante, estas estructuras son extraordinariamente estables y pueden actuar como bits de información robustos. Los ejemplos más conocidos son los esquírimos, que son remolinos redondeados en imanes cuya dirección preferida apunta fuera del plano. En imanes donde los espines prefieren situarse en el plano, pueden formarse objetos relacionados llamados merones y bimerones. Un bimerón es, en efecto, un par ligado de medios remolinos que juntos se comportan como una partícula. Son atractivos para la electrónica y la spintrónica futuras porque, en principio, pueden moverse con pequeñas corrientes eléctricas, empaquetarse densamente y utilizarse a escala nanométrica sin deshacerse fácilmente.

Usar destellos láser para crear remolinos magnéticos

Los investigadores trabajaron con placas delgadas de un imán quiral compuesto de cobalto, zinc y manganeso (Co₈Zn₈Mn₄). En este material, una interacción interna de torsión favorece de forma natural patrones magnéticos espirales, y el imán mantiene el orden por encima de la temperatura ambiente. El equipo preparó losas delgadas de solo 90–200 nanómetros de grosor y observó su magnetismo directamente dentro de un microscopio electrónico de transmisión capaz de imagenar estructuras magnéticas. Luego dispararon pulsos láser únicos de femtosegundos (una milbillonésima de segundo) sobre la muestra. Cada pulso calentó el imán extremadamente rápido, perturbando temporalmente su patrón ordenado y llevándolo a un estado desordenado y de alta energía. A medida que la muestra se enfrió en nanosegundos a microsegundos, la magnetización se reorganizó y emergieron bimerones estables cuando el sistema se relajó.

Regular bimerones con un campo magnético suave

Aplicando un pequeño campo magnético perpendicular a la placa delgada, el equipo pudo dirigir qué tipo y cuántos bimerones se formaban. En campo cero, los pulsos láser producían una mezcla de dos bimerones imagen especular. Incluso campos modestos de solo unas pocas decenas de militesla inclinaron el equilibrio energético de modo que un tipo se volvió más favorable y dominó el patrón. Al aumentar el campo, el número de bimerones primero creció hasta un máximo y luego disminuyó, desapareciendo más allá de un campo umbral. Experimentos cuidadosos en placas de distintos grosores mostraron que, a pesar de cambios en la apariencia de los patrones en el microscopio, los giros magnéticos tridimensionales subyacentes eran topológicamente los mismos. En otras palabras, el “tipo de nudo” esencial del bimerón no dependía del grosor de la placa.

Acercándose a la estructura magnética interna

Además de la imagen, el equipo realizó detalladas simulaciones por ordenador del comportamiento del imán usando un modelo micromagnético que incluía la interacción de torsión, la rigidez magnética ordinaria y la influencia de la forma de la muestra. También tuvieron en cuenta una delgada capa superficial dañada creada durante la fabricación, donde la interacción de torsión está reducida. Partiendo de una disposición aleatoria de espines, las simulaciones relajaron hacia estados de baja energía y produjeron patrones de bimerones que coincidían estrechamente con las imágenes experimentales, tanto en densidad como en contraste. Los cálculos revelaron cómo cada bimerón se construye a partir de dos merones enlazados con formas diferentes y cómo, al aumentar el campo, el fondo magnético circundante se endereza gradualmente desde un patrón inclinado tipo cono hacia un estado totalmente uniforme.

De bimerones a esquírimos y dispositivos futuros

Al aumentar aún más el campo magnético en las simulaciones, los investigadores observaron una transformación suave de bimerones a esquírimos más simétricos una vez que la magnetización circundante quedó completamente alineada. En el experimento real a temperatura ambiente, las fluctuaciones térmicas provocaron que los bimerones colapsaran antes de que se pudiera ver esta transición final, pero el acuerdo entre teoría y medida respalda una imagen unificada que trata a bimerones y esquírimos como objetos topológicos estrechamente relacionados. En conjunto, el trabajo demuestra que un único pulso de luz ultrarrápida puede escribir de manera fiable patrones controlables de bimerones en una película magnetizada en el plano. Este control óptico de nudos magnéticos duraderos representa un paso clave hacia futuras tecnologías de memoria y cálculo que usan luz y magnetismo para procesar información con mucha menos energía que la electrónica actual.

Cita: Zhu, K., Rybakov, F.N., Wang, Z. et al. Light-induced bimerons in a chiral magnet. Nat Commun 17, 3185 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71291-5

Palabras clave: bimerones, láser ultrarrápido, magnetismo topológico, spintrónica, esquírimos