SK и ASK высокого порядка при комнатной температуре.
Фото: Физика природы (2024). DOI: 10.1038/s41567-023-02358-z

Открытие новых спиновых объектов с произвольным топологическим зарядом обещает способствовать прогрессу в фундаментальных и прикладных исследованиях, в частности, за счет их применения в устройствах хранения информации.

Магнитные скирмионы представляют собой локализованные стабильные топологические текстуры магнитного спина, напоминающие торнадо-вихрь в магнитном материале. Они могут быть очень маленькими, с диаметром в нанометровом диапазоне и вести себя как частицы, которые можно перемещать, создавать и уничтожать, что делает их подходящими для приложений типа «счетов» в устройствах хранения информации и логических устройствах.

В своей статье в журнале Nature Physics под названием «Диполярные скирмионы и антискирмионы произвольного топологического заряда при комнатной температуре» группа исследователей из Аугсбургского университета под руководством профессора Манфреда Альбрехта демонстрирует, что эти спиновые объекты можно обнаружить только в отдельной фазе (карман на диаграмме устойчивости), где добротность Q имеет значение около 1, которое определяется соотношением одноосной магнитной анизотропии и анизотропии магнитной формы.

Благодаря обширному моделированию, проведенному Сабри Коралтаном и его коллегами из группы моделирования Венского университета под руководством профессора Дитера Зюсса и при поддержке доктора Николая Киселева из Forschungszentrum Jülich, исследователи также смогли определить точные причины вращения (объекты можно найти на диаграмме устойчивости), лежащем в их основе процессе формирования, а также необходимые свойства материала, которые теперь можно применять и к другим материальным системам.

В исследовании использовалась просвечивающая электронная микроскопия Лоренца в Аугсбургском университете, на экране (справа) показаны спиновые текстуры.
Фото: Томас X. Столл, Университет Аугсбурга.

«Мы с большим энтузиазмом относимся к захватывающим открытиям, полученным в результате открытия этих спиновых объектов, которые можно легко изготовить при комнатной температуре. Это выдающееся научное достижение в области скирмионов и топологических спиновых объектов», — говорит Альбрехт. Эти наноразмерные скирмионные спиновые текстуры обеспечивают дополнительную степень свободы и могут быть встроены в тонкопленочные устройства, позволяющие использовать различные приложения, начиная от нетрадиционных вычислений и заканчивая новыми концепциями хранения данных.

Еще одним очень важным аспектом спиновых объектов является то, что спин-поляризованный ток вызывает их движение. Когда ток заряда проходит через проводящий магнитный материал, спин поляризованного электрона будет оказывать на намагниченность крутящий момент, известный как крутящий момент переноса спина. Этот крутящий момент может привести в движение скирмионы более высокого порядка.

«Используя микромагнитное моделирование, мы могли бы продемонстрировать эффективный контроль над движением этих необычных спиновых объектов, что открывает дополнительные возможности для скирмионных устройств», — говорит Коралтан, докторант из вычислительной группы Венского университета.

Просвечивающая электронная микроскопия Лоренца в Аугсбургском университете широко использовалась в исследовании, которое в настоящее время расширяется для визуализации индуцированного током движения этих многозарядных спиновых объектов.

«В ближайшем будущем будет очень интересно исследовать, в какой степени наши предсказания об их характеристиках движения могут быть подтверждены экспериментально», — говорит Мариам Хассан, постдокторант из Аугсбургского университета.