Группа исследователей из Центра материаловедения (Center for Emergent Matter Science) Института физико-химических исследований RIKEN, Япония, совместно с их коллегами из Европы, идентифицировали новый класс материалов, в среде которых существуют стабильные магнитные скирмионы. При этом, скирмионы в новых материалах существуют при температуре равной или превышающей комнатную температуру, и это открывает дорогу разработке нового класса высокотемпературных спинтронных устройств.

Магнитные скирмионы представляют собой "вихри" вращения магнитного поля, размером в единицы, десятки и сотни нанометров, которые возникают в некоторых магнитных материалах. Благодаря их малым размерам скирмионы могут выступать в качестве ячеек устройств магнитной памяти, имеющих чрезвычайно высокий показатель плотности хранения информации. Кроме этого, скирмионы могут выступать в качестве примитивных логических устройств, обрабатывающих информацию в спинтронных устройствах, в устройствах, работающих за счет перемещения волн направлений вращения электронов, так называемых спин-волн.

Однако, использование скирмионов не всегда удобно с практической точки зрения. Несмотря на то, что они возникают в магнитных материалах в широком диапазоне условий внешней среды, управлять возникновением и перемещением скирмионов весьма затруднительно. И главной целью ученых, работающих в области спинтроники, было создание технологий, позволяющих создавать стабильные скирмионы и иметь возможность управлять ими с высокой точностью.



Скирмионы возникают вследствие так называемого эффекта Дзялошинского-Мория (Dzyaloshinskii-Moriya) и, как правило, они имеют фиксированное направление вращения, которым можно управлять при помощи электрического тока. Устойчивые скирмионы возникают в определенных кристаллических структурах, но в некоторых материалах, таких как MnSi и Cu2OSeO3, они могут существовать только при очень низких температурах.

В своих исследованиях японские ученые взяли за основу материал, состоящий из кобальта, цинка и марганца, в котором, согласно теоретическим исследованиям, должны формироваться стабильные скирмионы. И действительно, при воздействии магнитного поля определенной конфигурации этот материал продемонстрировал все признаки наличия магнитных скирмионов. При этом, факт наличия скирмионов был подтвержден при помощи нескольких различных методов и он не зависел от формы материала. Скирмионы существовали в этом материале в его кристаллическом в виде и когда материал был отформован в виде очень тонкой пластины. Кроме этого, все скирмионы вращались строго в одном направлении, что можно использовать для кодирования информации с их помощью.

"Полученные нами результаты являются плодом очень долгой работы не только нашей группы, но и всего международного сообщества. Теперь мы получили возможность создавать и использовать скирмионы в целом ряде новых материалов" - рассказывает Юсуке Токунага (Yusuke Tokunaga), ведущий исследователь, - "Кроме того, что мы продемонстрировали то, что стабильные скирмионы могут существовать при комнатной температуре и это открывает дорогу к разработке спинтронных устройств, использующих свойства скирмионов, не требующих дорогостоящих систем охлаждения".



Экзотические кольцевые магнитные образования, получившие название скирмионы, могут стать основой для технологий энергонезависимой магнитной записи и хранения информации, которая придет на замену существующим технологиям жестких магнитных дисков. Скирмионы обеспечивают более сильное проявление в условиях магнитных полей, на порядок более слабых, нежели магнитные поля, используемые в современных технологиях хранения информации. Но основным их недостатком является то, что они возникают и сохраняют свою стабильность только в условиях чрезвычайно низких температур. Однако, благодаря работе исследователей из американского Национального института стандартов и технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) вышеописанная ситуация может кардинально измениться, этим исследователям, работавшим совместно с учеными из нескольких университетов, удалось найти способ создания и манипулирования магнитными скирмионами при условиях комнатной температуры окружающей среды.

Эффект скирмионов заключается в том, что при определенных чрезвычайных условиях в некоторых магнитных материалах могут возникать области, внутри которых магнитные моменты атомов принимают кольцевые и вихреобразные формы, формируя нечто наподобие магнитного кольца, состояние которого может использоваться для хранения бита информации. Для того, чтобы искусственно стимулировать образование магнитных колец, скирмионов, ученые поместили большое количество крошечных дисков из намагниченного кобальта на тонкую пленку, изготовленную из сплава кобальта и палладия. Эта пленка выступает в роли защитного барьера, не допускающего к скирмионам проявлений неблагоприятных факторов из окружающей среды, что позволяет держать в целости и сохранности данные, хранимые в скирмионах.

Однако, защитный барьер одновременно является препятствием, усложняющим процесс считывания информации, хранимой в скирмионах. Ученые преодолели это затруднение при помощи просвечивания пленки потоком нейтронов, который позволил им, в буквальном смысле, увидеть записанную информацию.

"Преимущество использования скирмионов заключается в том, что для их использования в качестве носителей информации или спинтронных логических элементов требуется гораздо меньше энергии, чем при использованию любого другого метода, подходящего для спинтроники" - рассказывает Дастин Гильберт (Dustin Gilbert), ученый из NIST, - "Требуется совсем незначительная энергия для того чтобы инициировать определенное состояние скирмиона, и еще небольшое количество дополнительной энергии для того, чтобы заставить их перемещаться".

Эти исследования, которые были проведены при участии ученых из Калифорнийского университета в Дэвисе, университета Мэриленда, Калифорнийского университета в Санта-Круз и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, являются лишь первым шагом на пути разработки новых технологий магнитной записи и хранения информации. Поэтому не стоит ожидать скорого появления новых жестких дисков, основанных на этих технологиях, на доведение скирмионных технологий до уровня практического применения потребуется еще достаточно длительное время, точное количество которого не могут спрогнозировать даже сами ученые.

Источник