Bimeroni indotti dalla luce in un magnete chirale

Scrivere piccole vorticosità magnetiche con la luce

I computer moderni spostano informazioni usando cariche elettriche, il che disperde energia sotto forma di calore. I fisici stanno esplorando nuovi modi di memorizzare e trasportare dati impiegando motivi magnetici stabili e vorticosi che si comportano come particelle. Questo studio dimostra che lampi laser ultrarapidi possono “scrivere” in modo affidabile un tipo speciale di vortice magnetico, chiamato bimerone, all’interno di un sottile cristallo a temperatura ambiente, e che questi vortici possono essere regolati con un campo magnetico modesto. Il lavoro indica la strada verso futuri dispositivi di memoria e logica a bassa energia controllati dalla luce anziché dai fili.

Piccoli nodi magnetici come vettori di informazione

In alcuni magneti, i minuscoli magnetini atomici non si allineano tutti; invece si avvolgono in minuscoli vortici chiamati texture di spin topologiche. Poiché queste torsioni non si possono annullare senza una riorganizzazione importante, tali strutture sono insolitamente stabili e possono funzionare come bit di informazione robusti. Gli esempi più noti sono gli skyrmion, vortici circolari in magneti la cui direzione preferita è fuori dal piano. In magneti dove gli spin preferiscono giacere nel piano, possono formarsi oggetti correlati chiamati meron e bimeron. Un bimerone è sostanzialmente una coppia legata di mezzi‑vortici che insieme si comportano come una particella. Sono attraenti per l’elettronica e la spintronica del futuro perché, in linea di principio, possono essere mossi da piccole correnti elettriche, impacchettati in modo denso e usati alla nano‑scala senza disfarsi facilmente.

Usare lampi laser per creare vortici magnetici

I ricercatori hanno operato con lamine sottili di un magnete chirale composto da cobalto, zinco e manganese (Co₈Zn₈Mn₄). In questo materiale, un’interazione interna che favorisce l’avvolgimento tende naturalmente a generare motivi magnetici a spirale, e il magnete resta ordinato anche al di sopra della temperatura ambiente. Il team ha preparato lastre sottili di soli 90–200 nanometri di spessore e ha osservato direttamente il loro magnetismo all’interno di un microscopio elettronico a trasmissione in grado di immagini le strutture magnetiche. Hanno quindi sparato impulsi laser singoli di durata femtosecondo (un milionesimo di miliardesimo di secondo) sul campione. Ogni impulso ha riscaldato il magnete in modo estremamente rapido, interrompendo temporaneamente il suo ordine e portandolo in uno stato disordinato e ad alta energia. Man mano che il campione si raffreddava nell’arco di miliardesimi‑o‑milionesimi di secondo, la magnetizzazione si riorganizzava e, mentre il sistema si rilassava, emerggevano bimeroni stabili.

Regolare i bimeroni con un campo magnetico lieve

Applicando un piccolo campo magnetico perpendicolare alla lastra, il team poteva indirizzare quale tipo e quanti bimeroni si formassero. A campo zero, gli impulsi laser producevano una miscela di due bimeroni speculari. Anche campi modesti di poche decine di millitesla spostavano l’equilibrio energetico in modo che un tipo diventasse più favorevole e dominasse il motivo. All’aumentare del campo, il numero di bimeroni cresceva inizialmente fino a un massimo per poi diminuire, scomparendo oltre un campo soglia. Esperimenti accurati su lastre di diverso spessore hanno mostrato che, nonostante differenze nell’aspetto dei motivi al microscopio, le torsioni magnetiche tridimensionali sottostanti erano topologicamente le stesse. In altre parole, il “tipo di nodo” essenziale del bimerone non dipendeva dallo spessore della lastra.

Ingrandire la struttura magnetica interna

Parallelamente alle immagini, il team ha eseguito dettagliate simulazioni al calcolatore del comportamento del magnete usando un modello micromagnetico che includeva l’interazione avvolgente, la normale rigidità magnetica e l’influenza della forma del campione. Hanno anche tenuto conto di un sottile strato superficiale danneggiato creato durante la fabbricazione, dove l’interazione avvolgente è ridotta. Partendo da una disposizione casuale di spin, le simulazioni si sono rilassate verso stati a bassa energia e hanno prodotto motivi di bimeroni che corrispondevano da vicino alle immagini sperimentali, sia in densità sia in contrasto. I calcoli hanno rivelato come ogni bimerone sia costruito da due meron collegati di forme diverse e come, con l’aumento del campo, il fondo magnetico circostante si raddrizzi gradualmente da un motivo inclinato a cono verso uno stato completamente uniforme.

Dai bimeroni agli skyrmion e ai dispositivi futuri

Spingendo il campo magnetico a valori più elevati nelle simulazioni, i ricercatori hanno osservato una trasformazione continua dai bimeroni verso skyrmion più simmetrici una volta che la magnetizzazione circostante risultava completamente allineata. Nell’esperimento reale a temperatura ambiente, le fluttuazioni termiche facevano collassare i bimeroni prima che si potesse vedere questa transizione finale, ma la concordanza tra teoria e misura supporta un quadro unificato che considera bimeroni e skyrmion come oggetti topologici strettamente correlati. In generale, il lavoro dimostra che un singolo impulso luminoso ultrarapido può scrivere in modo affidabile motivi controllabili di bimeroni in un film magnetizzato nel piano. Questo controllo ottico di nodi magnetici durevoli rappresenta un passo chiave verso tecnologie di memoria e calcolo future che usano luce e magnetismo per elaborare informazioni con molta meno energia rispetto all’elettronica odierna.

Citazione: 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

Parole chiave: bimeroni, laser ultrarapido, magnetismo topologico, spintronica, skyrmion