Трансформации между скирмионами и антискирмионами при наличии температурного градиента с магнитным полем
В эксперименте, который может помочь в разработке новых устройств спинтроники с низким энергопотреблением, учёные из RIKEN и его коллеги использовали тепло и магнитные поля при комнатной температуре для создания преобразований между спиновыми текстурами — магнитными вихрями и антивихрями, известными как скирмионы и антискирмионы — в тонком пластинчатом монокристалле. Обнаружено, что когда к кристаллу прикладывался температурный градиент одновременно с магнитным полем (при комнатной температуре), антискирмионы внутри него превращались сначала в атопологические пузыри — своего рода переходное состояние между скирмионами и антискирмионами — а затем в скирмионы (поскольку градиент температуры увеличился). Затем они оставались в стабильной конфигурации как скирмионы, даже когда термический градиент был устранен.
Преобразования магнитных спиновых текстур, вызванные тепловым током, в (Fe0,63 Ni0,3 Pd0,07)3P.
Фото: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-42846-7
Скирмионы и антискирмионы, которые представляют собой текстуры, существующие в специальных магнитных материалах, включающие вращение электронов в материале, являются активной областью исследований, поскольку их можно использовать, например, для устройств памяти следующего поколения, где скирмионы будут действовать как Бит «1», а антискирмионы — бит «0».
В прошлом учёным удавалось перемещать их различными способами и осуществлять трансформации между ними с помощью электрического тока. Однако, поскольку современные электронные устройства потребляют электроэнергию и выделяют тепло, исследователи из группы под руководством Сючжэня Юя из Центра исследований новых веществ RIKEN решили посмотреть, смогут ли они найти способ создания преобразований с использованием тепловых градиентов.
По словам Ю, «поскольку примерно две трети энергии, производимой электростанциями, автомобилями, мусоросжигательными заводами и заводами, тратится в виде тепла, мы подумали, что было бы важно попытаться создать трансформации между скирмионами и антискайримионами, что уже было сделано ранее, используя электрический ток и используя тепло».
Для проведения исследования, опубликованного в журнале Nature Communications, исследователи использовали сфокусированный ионный луч — чрезвычайно точную систему изготовления — для создания микроустройства из массивного монокристаллического магнита (Fe0,63 Ni0,3 Pd0,07)3P, состоящего из железа, никеля, палладия и фосфора, а затем применил сканирующую микроскопию Лоренца — передовой метод исследования магнитных свойств материалов в очень малых масштабах.
Они обнаружили, что когда к кристаллу прикладывался температурный градиент одновременно с магнитным полем, при комнатной температуре, антискирмионы внутри него превращались сначала в атопологические пузыри — своего рода переходное состояние между скирмионами и антискирмионами — а затем в скирмионы, поскольку градиент температуры увеличился. Затем они оставались в стабильной конфигурации как скирмионы, даже когда термический градиент был устранен.
Этот вывод соответствовал теоретическим ожиданиям, но второй результат удивил группу. По словам Фехми Сами Ясина, постдокторанта из группы Ю: «Мы были удивлены, обнаружив, что, когда магнитное поле не прикладывалось, тепловой градиент приводил к трансформации скирмионов в антискирмионы, которые также оставались стабильными внутри материала».
«Что очень интересно в этом, — продолжает он, — так это то, что это означает, что мы можем использовать температурный градиент — в основном используя отходящее тепло — для управления трансформацией между скирмионами и антискирмионами, в зависимости от того, приложено магнитное поле или нет. Особенно важно то, что мы смогли сделать это при комнатной температуре. Это может открыть путь к новому типу устройств хранения информации, таких как энергонезависимые запоминающие устройства, использующие отходящее тепло».
По словам Ю, «мы очень воодушевлены его открытием и планируем продолжить нашу работу по манипулированию скирмионами и антискирмионами новыми и более эффективными способами, включая тепловой контроль движения антискирмионов, с целью создания реальных термоспинтронных и других устройств спинтроники. которые можно было бы использовать в нашей повседневной жизни. Чтобы создавать более совершенные устройства, нам необходимо тщательно изучить различные конструкции и геометрии устройств».
