Los esquirmiones magnéticos, diminutas estructuras vorticiales de la magnetización, atraen la atención como candidatos para memorias ultradensas y de bajo consumo. Sin embargo, la mayoría de los materiales donde aparecen solo funcionan a bajas temperaturas o dentro de una ventana estrecha. Los imanes centrosimétricos con anisotropía de fácil eje, como el Fe3Sn2, abrieron una vía para ampliar esa ventana, pero reunir a la vez una temperatura de Curie alta, una estabilidad amplia de los esquirmiones y una anisotropía reconfigurable seguía siendo algo raro. El Fe3Ge con red de kagome destaca entre sus vecinos de archivo: si en el Fe3Sn2 los esquirmiones son estables en un rango amplio, aquí además coexisten con fermiones de Dirac y con un gran efecto Hall anómalo. El trabajo llena el hueco entre la topología en el espacio real y la del espacio de momentos dentro de un mismo material.
Los monocristales de Fe3Ge se crecieron por el método de flujo de estaño. La composición se confirmó mediante espectroscopía de rayos X por dispersión de energía, y la estructura, mediante difracción de Laue y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución. Las propiedades magnéticas se midieron en un magnetómetro SQUID, y el transporte, con el método estándar de cuatro puntas en un sistema criogénico. Para visualizar las texturas de espín se empleó microscopía electrónica de transmisión de Lorentz sobre una lámina de unos 100 nm de espesor, cortada con un haz de iones focalizado. La estructura electrónica se calculó con el método de ondas planas aumentadas linealizadas en el paquete WIEN2k, y la conductividad Hall anómala, con un modelo de enlace fuerte basado en funciones de Wannier. El factor desmagnetizante se tuvo en cuenta según la geometría de la muestra.
A 300 K, la conductividad Hall anómala del Fe3Ge alcanza 380 Ω⁻¹cm⁻¹, comparable a la de los mejores materiales de kagome topológicos. Las mediciones magnéticas revelaron una transición de reorientación de espín a 375 K: por debajo de esa temperatura el eje fácil está en el plano, y por encima, perpendicular al plano. La constante de anisotropía cambia de signo, desde −4.1×10⁵ J/m³ a 2 K hasta +0.36×10⁵ J/m³ a 400 K. La microscopía de Lorentz mostró que en la fase de fácil eje, con campos de 727 a 1200 mT, se forman esquirmiones de Bloch de unos 250 nm de diámetro, con igual ocupación de las dos helicidades, lo que indica un mecanismo dipolar de estabilización. Los esquirmiones se mantienen en todo el intervalo de 375 a 650 K: es una de las ventanas más amplias entre los materiales conocidos. A 650 K desaparece el contraste de dominios, lo que confirma la temperatura de Curie.
El trabajo demuestra que el imán de kagome de Dirac Fe3Ge reúne la topología en el espacio real (esquirmiones) y en el espacio de momentos (un gran efecto Hall anómalo). A diferencia de estudios vecinos, donde los esquirmiones se investigaban en materiales sin topología de bandas marcada o con una ventana de estabilidad estrecha, aquí ambos fenómenos coexisten en un mismo cristal a temperaturas de hasta 650 K. Esto abre el camino a dispositivos en los que las texturas de espín puedan controlarse con campos eléctricos a través de estados electrónicos topológicos. El resultado también explica el refuerzo observado antes del efecto Hall topológico y del efecto Nernst topológico por debajo de 375 K: allí aportan estructuras de espín microscópicas no coplanares, y por encima, los esquirmiones mesoscópicos.
El siguiente paso es bajar la temperatura de reorientación de espín mediante sustitución química, para conseguir esquirmiones ya a temperatura ambiente. Trabajos anteriores mostraron que sustituir parte de los átomos de hierro o de germanio desplaza la transición por debajo de 300 K. Otra dirección es optimizar el espesor y la geometría de las muestras: los esquirmiones dipolares son sensibles al confinamiento, y un ajuste fino permitirá controlar su tamaño, su densidad y su nucleación. También es prometedor estudiar la interacción de los esquirmiones con los fermiones de Dirac en experimentos de transporte en películas delgadas, donde la contribución de los esquirmiones al efecto Hall topológico podría volverse medible.
Los resultados son relevantes para la espintrónica, que necesita esquirmiones estables a altas temperaturas para memorias y lógica. El material también interesa a la caloritrónica por su gran efecto Nernst anómalo, y a la investigación de fases topológicas en imanes con frustración.
Llevar a cabo una sustitución sistemática en el Fe3Ge para reducir la temperatura de reorientación de espín y comprobar la estabilidad de los esquirmiones a temperatura ambiente. Fabricar películas delgadas de espesor controlado y estudiar la contribución de los esquirmiones a las propiedades de transporte.
En la física de los esquirmiones magnéticos sigue abierta la cuestión de los mecanismos que los estabilizan en sistemas centrosimétricos sin interacción de Dzyaloshinskii-Moriya. El trabajo muestra que las interacciones dipolares y la competencia entre anisotropías bastan para lograr una ventana de estabilidad amplia. Otro problema sin resolver es la relación entre la topología del espacio real y la del espacio de momentos en un mismo material, y el Fe3Ge brinda una oportunidad poco común de investigarla experimentalmente.
Los esquirmiones deben su nombre al físico británico Tony Skyrme, quien en 1962 los propuso como modelo para describir partículas nucleares. Hoy estas «partículas» viven en cristales magnéticos y pueden medir menos de cien nanómetros.
En la novela «La ciudad y las estrellas», de Arthur C. Clarke, la información se almacena en redes cristalinas que se reconfiguran casi sin gasto de energía. Los esquirmiones magnéticos del Fe3Ge son un paso real hacia una memoria así: son diminutos, resistentes y se desplazan con corrientes ultrabajas.