Создание и контроль скирмионов при комнатной температуре в 2D материалах

Корейский научно-исследовательский институт стандартов и науки (KRISS) впервые в мире создал и контролировал скирмионы при комнатной температуре в двумерных (2D) материалах. Это достижение снижает энергопотребление по сравнению с традиционными трехмерными (3D) системами, одновременно максимизируя квантовые эффекты, что делает его основной технологией для разработки квантовых компьютеров, работающих при комнатной температуре, и полупроводников с искусственным интеллектом. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials. В эксперименте скирмионы создавались путем приложения очень тонкого напряжения и магнитного поля к поверхности магнита и далее перемещались в нужном направлении с помощью тока. Результаты эксперимента показали, что энергопотребление на управление скирмионами в 2D составило примерно 1/1000 от такового в 3D, а их размер уменьшился более чем в десять раз, что обеспечило значительные преимущества с точки зрения стабильности и скорости.

В сочетании с тонкой пленкой тяжелого металла и ферромагнитными монослоями графен усиливает эффект стабилизации скирмионов в спинтроники

На границе раздела графена и тяжелого металла возникает сильная спин-орбитальная связь, которая приводит к различным квантовым эффектам, включая спин-орбитальное расщепление уровней энергии (эффект Рашбы) и скос в выравнивании спинов (взаимодействие Дзялошинского-Мория). Эффект скоса спинов особенно необходим для стабилизации скирмионов, которые особенно подходят для спинтроники. В статье, опубликованной в журнале ACS Nano, испано-немецкая группа учёных показала, что эти эффекты значительно усиливаются, когда несколько монослоев ферромагнитного элемента кобальта вставляются между графеном и тяжелым металлом (в данном случае: иридием). Образцы выращивались на изолирующих подложках, что является необходимым условием для внедрения многофункциональных спинтронных устройств, использующих эти эффекты. 

Недифрагирующие супертороидальные импульсы и оптические вихревые дорожки Кармана

В исследовании, опубликованном в журнале Nature Communications, физики из Сингапура и Великобритании сообщили об оптическом аналоге вихревой дорожки Кармана (KVS). Этот оптический импульс KVS демонстрирует удивительные параллели между переносом жидкости и потоком энергии структурированного света. В отличие от более ранних работ по оптическим скирмионным пучкам и импульсам, конфигурация скирмионного поля в недифрагирующих супертороидальных импульсах (NDSTP) не ограничивается дифракцией и сохраняется при распространении на произвольные расстояния. Поскольку предлагаемые в данной работе световые импульсы не продолжаются при распространении, такие структуры скирмионных полей могут сохраняться при распространении импульса KVS. Импульс позволяет изучать динамику распространения электромагнитных скирмионных полей и будет представлять интерес в качестве направленных энергетических каналов для приложений передачи информации.

Быстрое движение скирмионов, индуцированное током, в синтетических антиферромагнетиках

Международная исследовательская группа под руководством ученых из CNRS обнаружила, что магнитные нанопузырьки, известные как скирмионы, могут перемещаться с помощью электрических токов, достигая рекордных скоростей до 900 м/с. До сих пор эти нанопузыри двигались со скоростью не более 100 м/с, что слишком медленно для вычислительных приложений. Однако благодаря использованию антиферромагнитного материала в качестве среды ученым удалось заставить скирмионы двигаться в 10 раз быстрее, чем наблюдалось ранее. Эти результаты, опубликованные в журнале Science 19 марта, открывают новые перспективы для разработки более производительных и менее энергоемких вычислительных устройств.

Открытие скирмионов и антискирмионов высокого порядка

Исследователи из Аугсбургского и Венского университетов обнаружили сосуществующие магнитные скирмионы и антискирмионы произвольного топологического заряда при комнатной температуре в магнитных многослойных тонких пленках Co/Ni. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Physics и открывают возможность для новой парадигмы в исследованиях скирмионики. Эти спиновые объекты можно обнаружить только в отдельной фазе, где добротность Q имеет значение около 1, которое определяется соотношением одноосной магнитной анизотропии и анизотропии магнитной формы.

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.

Нелокальные скирмионы как топологически устойчивые квантово-запутанные состояния света

Физики демонстрируют, что квантовая запутанность и топология неразрывно связаны между собой. Впервые продемонстрирована способность возмущать пары пространственно разделенных, но связанных между собой квантово-запутанных частиц без изменения их общих свойств. Учёные, запутав два одинаковых фотона и настроив их общую волновую функцию таким образом, что их топология или структура становятся очевидными только тогда, когда фотоны рассматриваются как единое целое, установили связь между этими фотонами посредством квантовой запутанности. Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics 8 января 2024 года.

Первые экспериментальные доказательства присутствия хопфионов в кристаллах

Скирмионы представляют собой двумерные, напоминающие вихревые струны, а хопфионы представляют собой трехмерные структуры внутри объема магнитного образца, напоминающие замкнутые, скрученные струны скирмионов, имеющие в простейшем случае форму бублика. Несмотря на обширные исследования последних лет, о прямом наблюдении магнитных образований сообщалось только в синтетических материалах. Данная работа является первым экспериментальным подтверждением таких состояний, стабилизированных в кристалле пластин FeGe типа B20 с помощью просвечивающей электронной микроскопии и голографии. Полученные результаты открывают новые области экспериментальной физики: идентификацию других кристаллов, в которых хопфионы стабильны, изучение того, как хопфионы взаимодействуют с электрическими и спиновыми токами, динамику хопфионов и многое другое.

В железосодержащем материале обнаружены сверхмалые закрученные магнитные вихри

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.

Преобразование между различными топологическими спиновыми текстурами

В недавнем исследовании, опубликованном в Nano Letters, группа под руководством Сяокси Лю продемонстрировала в экспериментах и ​​симуляциях, что создание изолированных скирмионов и их последующая трансформация в бимероны возможны в магнитном диске, окруженном токоведущей и омега-образной микрокатушкой, где индуцированное электрическим током поле Эрстеда и индуцированное температурой изменение перпендикулярной магнитной анизотропии играют важную роль в преобразовании между скирмионами и бимеронами.