1414
Дослідники з університету імені Йоганнеса Гутенберга в Майнці (JGU) вперше візуалізували взаємодію антиферомагнітних скірміонів – нанометрових магнітних вихорів – і показали, що вони рухаються відтворювано по прямих траєкторіях уздовж прикладеного електричного струму. Про результати повідомляє Newswise Science News.
Скірміони розглядають як перспективні носії інформації у спінтроніці: у майбутньому вони можуть стати основою елементів пам’яті чи логічних схем і доповнити традиційні CMOS-технології. Вони надзвичайно малі, стабільні та керовані електричними струмами, а в феромагнітних матеріалах уже лягли в основу концепцій «рейкової» пам’яті, логічних вентилів та нетрадиційних способів обчислень.
Як антиферомагнітні скірміони обходять ефект Холла
У феромагнітах практичне застосування скірміонів ускладнює так званий ефект Холла скірміонів: замість руху строго за напрямком струму вихори відхиляються убік на кути до 30 градусів. Теоретичні роботи припускали, що в антиферомагнітних системах цей ефект має зникати.
Команда Мони Бгукти (Mona Bhukta) з Інституту фізики JGU провела часово роздільні вимірювання в решітці взаємодіючих антиферомагнітних скірміонів і безпосередньо підтвердила цю поведінку. Дослідники показали, що в межах експериментальної похибки скірміони в антиферомагнітному матеріалі рухаються вздовж напрямку струму, тобто ефект Холла скірміонів не проявляється.
Ця відтворюваність руху є критичною для пристроїв на основі скірміонів, особливо для високочастотних застосувань, де потрібен надійний та повторюваний рух великої кількості таких магнітних вихорів.
Прямолінійний рух щільної скірміонної решітки
Щоб дослідити колективну динаміку, команда створила щільну решітку взаємодіючих скірміонів, у якій їхні відносні позиції залишаються сталими під час узгодженого руху. Короткі імпульси електричного струму «зрушували» всю решітку, і дослідники зафіксували, що всі скірміони рухаються по прямій уздовж напрямку струму.
Для візуалізації скірміонів і їхнього руху використовували часово роздільну рентгенівську мікроскопію на установці BESSY II центру Гельмгольца в Берліні. Це дозволило спостерігати наномасштабні магнітні структури в реальному часі та просторі.
«Натовп» м’яких кульок і відштовхування скірміонів
У другому експерименті дослідники знову збуджували решітку скірміонів дуже короткими імпульсами струму, але вже з меншою густиною. Цю послідовність повторювали ідентично мільярди разів, а отримані дані об’єднали у своєрідний «фільм» руху з наносекундною часовою роздільною здатністю.
Найбільш показовою виявилася поведінка після вимкнення струму. Деякі скірміони залишалися «заякореними» локальними неоднорідностями матеріалу, дефектами чи межами зерен. Інші, мобільні, під час імпульсу струму підштовхувалися до цих закріплених скірміонів, а після припинення дії струму відскакували назад.
Автори порівнюють це з тісно упакованим масивом м’яких кульок, серед яких частина кульок жорстко закріплена. Якщо рухомі кульки притиснути до закріплених, вони деформуються, а коли тиск зникає – пружно відскакують. Аналізуючи таке «відскочне» переміщення скірміонів у реальному часі, вчені змогли відновити силу відштовхування між ними та оцінити, як ця взаємодія слабшає зі збільшенням відстані.
Важливий внесок у кількісну інтерпретацію зробив аспірант Кіліан Лойтнер (Kilian Leutner), який розробив фізичну модель, підігнав її до виміряних траєкторій і виконав мікромагнітні моделювання для перевірки результатів.
Основи для спінтронних пристроїв з багатьма скірміонами
Отриманий потенціал взаємодії «скірміон–скірміон» особливо важливий, коли планується інтегрувати в один пристрій велику кількість цих магнітних вихорів. Тоді на передній план виходять питання: як саме вони впливають один на одного, на яких відстанях і часових масштабах це суттєво, і з якого розділення взаємодією вже можна нехтувати.
Дослідники підкреслюють, що їхні результати закладають основу для відповідей на ці запитання та для проєктування спінтронних пристроїв, які використовуватимуть численні антиферомагнітні скірміони як функціональні елементи.
Антиферомагнітні скірміони вперше відстежили вздовж струму з’явилася спочатку на Цікавості.
