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Skyrmion, la partícula que puede revolucionar la informática

Actualidad Informática. Skyrmion, la partícula que puede revolucionar la informática. Rafael Barzanallana. UMU

No es la partícula de Dios, y seguramente su estudio jamás merezca un premio Nobel -además, su descubridor ya está muerto-, pero el halo de misterio que rodea a los skyrmions guarda similitudes con el bosón de Higgs. También su trayectoria es parecida. La partícula que podría inaugurar una nueva era de la informática desde el punto de vista del almacenamiento de datos fue formulada a principios de los 1960, poco antes que las primeras teorías sobre el bosón. Su padre, el físico británico Tony Skyrme, fallecido en 1987, ha pasado de puntillas por la historia de la ciencia.

Se le recuerda como un investigador modesto, de poca ambición, y a pesar de que su modelo matemático -al principio, la existencia de los skyrmions era sólo una hipótesis- solucionaba de manera solvente un problema físico de la época, a saber, el comportamiento de las partículas subatómicas, no alcanzó una gran repercusión. Tuvo mala suerte. Al menos, fue lo suficientemente audaz como para nombrar la partícula con su propio apellido.

En los 60, su hallazgo fue eclipsado por la formulación teórica de un elemento esencial de la física de partículas, los quarks, por culpa de los cuales los skyrmions llegaron al final de los 70 fatigados, como un pariente pobre de este componente fundamental de la materia.

Sin embargo, los 80 arrancaron con la aceptación del modelo de Skyrme por parte de sus colegas, pero entonces apareció en escena la teoría de cuerdas, centrando de nuevo el interés de la comunidad científica. El skyrmion desapareció del mapa: se convirtió en una partícula de culto sólo recordada por algunos nostálgicos.

Skyrme falleció, sin honores, justo antes del desarrollo de una aplicación científica que, de rebote, representaría un revulsivo para el skyrmion. En 1985, Klaus von Klitzing había obtenido el Nobel de Física por sus avances en el campo del efecto hall cuántico. Desde entonces, los dispositivos electrónicos basados en esta nueva vía fueron capaces de testar múltiples estructuras, entre ellas los skyrmions. En los 90, por fin, los científicos los vieron con sus propios ojos. La edad dorada de la partícula estaba a punto de iniciarse.

La primera aplicación

En la literatura científica, se describe a los skyrmions como un vórtice de átomos que surge al aplicar, de forma controlada, una carga magnética sobre las partículas de ciertos materiales, de tal forma que los espines de los electrones, que en condiciones normales se alinean en la misma dirección, adquieren en los skyrmions una forma de trenza.

El skyrmion halló su utilidad en una tecnología emergente emparentada con la computación cuántica, la espintrónica, cuyo principal objetivo es el desarrollo de sistemas de almacenamiento y procesamiento de datos más potentes y dotados de una mayor capacidad, gracias al desarrollo de los bits cuánticos.

Ha sido ahora cuando un equipo de investigadores del grupo Wiesendanger de la Universidad de Hamburgo ha logrado, por primera vez, leer y escribir datos utilizando skyrmions, un hito científico que se postula como una posible revolución en el futuro de los discos duros. No sólo desde el punto de vista de su capacidad: atendiendo también a una reducción significativa de su tamaño. Esto puede dar lugar a discos duros del tamaño de un grano de arroz.

Artículo completo en: Teknautas

Los ordenadores del futuro podrían utilizar Skyrmiones

Actualidad Informática. Red de Skyrmions. Rafael Barzanallana Se pueden almacenar datos en los materiales magnéticos mediante la realización de una serie de vórtices magnéticos, los skyrmiones. La exigencia de densidades de corriente eléctrica son 100 000 veces menores para manejar los paquetes de átomos magnetizados de las memoria habituales, estos skyrmiones podrían ser utilizado para hacer los ordenadores más rápido, más pequeño y más eficiente.

En los últimos años, los físicos descubrieron estructuras sólidas exóticas, predichas desde hace tiempo en los materiales magnéticos. El caso de los monopolos magnéticos es famoso, pero descubrimos también varios ejemplos de skyrmiones.

En 2009, investigadores alemanes de la Universidad de Colonia y la Technische Universitaet Muenchen (TUM) en Munich demostraron la existencia de cristales de skyrmiones magnéticos. Los skyrmiones son solitones, un tipo de paquetes de energía estables, descritos por ecuaciones en derivadas parciales no lineales. Uno de los ejemplos más conocidos es en hidrodinámica. Esta es la marea taladro (mascaret), una ola solitaria observada por primera vez por el escocés John Scott Russell en el siglo XIX, tras una ola de kilómetros corriente arriba y que no mostraba signos de dedebilitamiento.

Debido a su carácter estable, se ha sugerido repetidamente que las partículas elementales son solitones. Esto  había sugerido el físico británico, Tony Skyrme hace más de cincuenta años. Las partículas de Skyrme, nombradas en su  honor skyrmiones, pueden ser vistas como vórtices que llevan momento angular en un medio continuo, tales como paquetes de átomos con su espín, un momento angular intrínseco, orientado en un campo magnético. A menudo la estabilidad se explica en relación con la topología, una rama de la geometría.

Por primera vez se han detectado en un compuesto a base de manganeso y silicio. Pero los investigadores japoneses se apresuraron a demostrar que el fenómeno también apareció en otros medios magnéticos en la física del estado sólido.

Miniaturizados memorias magnéticas con skyrmiones

Los skyrmiones pueden estar formada con  sólo una docena de átomos y se pueden utilizar para almacenar bits de información. Sin embargo, se necesita aproximadamente un millón de átomos magnéticos orientados en la misma dirección para almacenar un bit de un disco duro o una cinta magnética. Dominar la escritura y la lectura de los datos mediante skyrmiones en cristales magnéticos es una nueva vía de investigación que podría  hacer disminuir aún más el tamaño de las memorias magnéticas. De manera más general, estos skyrmiones son interesantes en la espintrónica.

Los trabajos de los investigadores de la Universidad de Colonia y la Technische Universität München (TUM), han sido publicados  en la revista Nature, y están disponibles en arXiv en esta dirección.

Utilizando haces de neutrones, los físicos han descubierto que las densidades de corriente eléctrica (en amperios/m2) son 100 000 veces inferiores a las utilizadas para manipular los bits en las memorias magnéticas habituales, y son suficientes para manejar los skyrmiones. En teoría, esto significa que es posible almacenar y manipular la información en medios magnéticos mucho más pequeños que los actualmente disponibles y con menos energía.

Podemos esperar otra fuente de tecnología en el futuro, con cristales de skyrmiones. Pero no podemos ignorar la gran dificultad que hay que superar antes de que esta tecnología en el futuro sea cotidiana en nuestra vida. Las propiedades de conducción descubiertas por los investigadores solamente pueden funcionar a temperaturas muy bajas.  Como sucede con la superconductividad, se deben lograr los mismos fenómenos a temperatura ambiente.

 

 

Diagrama que muestra la conmutación compleja de la orientación del espín de un electrón (flecha negro) que pasa sobre un skyrmión magnético. La corrientes de electrones no necesita ser intensa en determinadas condiciones para que en el manejo de skyrmiones interactúen con ellos. © Technische Universität München (TUM)

Actualidad Informática. Skyrmions. Rafael Barzanallana

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