Моделирование, фиксирующее различные закрученные текстуры скирмионов и меронов, наблюдаемые в тонкой пленке ферромагнетика.
Предоставлено: Эдинбургский университет/на основе микроскопических изображений, собранных Аргонном на образцах, подготовленных в MagLab.

Сегодня микроэлектроника составляет основу многих современных технологий, включая смартфоны, ноутбуки и даже суперкомпьютеры. Он основан на способности разрешать и останавливать поток электронов через материал. Спиновая электроника, или спинтроника, является побочным продуктом. Он основан на вращении электронов и на том факте, что вращение электрона вместе с электрическим зарядом создает магнитное поле.

«Это свойство может быть использовано для строительных блоков в будущем для хранения компьютерной памяти, подобных мозгу и других новых вычислительных систем, а также высокоэффективной микроэлектроники», — сказал Чарудатта Фатак, руководитель группы в отделе материаловедения Министерства энергетики США (DOE). ) Аргоннская национальная лаборатория.

Группа исследователей из Аргонны и Национальной лаборатории сильного магнитного поля (MagLab) обнаружила удивительные свойства магнитного материала из железа, германия и теллура. Этот материал имеет форму тонкого листа толщиной всего от нескольких до 10 атомов. Он называется двумерным ферромагнетиком.

Команда обнаружила, что в этом сверхтонком материале могут сосуществовать два вида магнитных полей. Ученые называют их меронами и скирмионами. Они похожи на миниатюрные завихряющиеся штормовые системы, усеивающие плоский ландшафт ферромагнетика. Но они различаются по размеру и поведению.

Известные и изучаемые около 15 лет, скирмионы имеют размер около 100 нанометров — примерно такой же, как одна молекула вируса, — и их магнитные поля текут по сложной схеме, напоминающей нити узла на веревке. Лишь недавно обнаруженные мероны имеют примерно одинаковый размер и обладают магнитными полями, которые закручиваются как водовороты.

«И скирмионы, и мероны очень стабильны, потому что, подобно прочно завязанным узлам, их трудно распутать», — сказал Луис Баликас, который одновременно работает в MagLab и Университете штата Флорида. «Эта стабильность наряду с их магнитными свойствами делает их привлекательными в качестве носителей информации».

Эволюция намагниченности в зависимости от температуры в монокристаллическом Fe _5-x GeTe ₂ . Оба протокола ZFC и FCC используются для ориентации поля в плоскости (сплошные линии) и вне плоскости образца (пунктирные линии).
Кредит: Расширенные материалы (2023). DOI: 10.1002/adma.202212087

Команда первой наблюдала обе эти магнитные текстуры в тонкой пленке одновременно при низкой температуре, от минус 280 до минус 155 градусов по Фаренгейту. Кроме того, мероны сохранялись до комнатной температуры, что важно для их использования в практических устройствах. В прошлом они наблюдались только при гораздо более низких температурах в различных материалах.

Команда также показала, что скирмионы и мероны можно обнаружить по их влиянию на приложенный ток путем измерения напряжения. Эта функция означает, что они могут быть адаптированы к двоичному коду , используемому во всех цифровых компьютерах. Этот код состоит из комбинаций 1 и 0. В устройстве спинтроники 1 будет обозначаться электрическим сигналом, обнаруживающим скирмион или мерон. Тогда отсутствие электрического сигнала будет означать 0.

Обнаружение и характеристика различных магнитных текстур в пленке толщиной менее десяти атомов требовали специального научного инструмента. Физик из Аргонны Ю Ли возглавил эту сложную задачу, используя инструмент, называемый просвечивающим электронным микроскопом Лоренца (ПЭМ). В этом микроскопе используется технология коррекции аберраций для улучшения разрешения. Этот ПЭМ может визуализировать намагничивание материалов на наноуровне в различных магнитных полях в широком диапазоне температур, что является уникальной возможностью, доступной в Аргонне. Диапазон простирается от минус 280 градусов по Фаренгейту до комнатной температуры.

Команда выполнила дополнительную магнитную и другую визуализацию в Аргоннском центре наноразмерных материалов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США.

«Необходимо гораздо больше фундаментальных исследований, чтобы полностью понять поведение скирмионов и меронов в различных условиях и то, как их использовать для кодирования информации», — сказал Баликас. «Существует множество, казалось бы, фантастических схем. Мы не можем предсказать будущее, но вполне вероятно, что одна или несколько из них могут быть реализованы».

Исследование опубликовано в Advanced Materials.