Физики научились управлять отдельным магнитным скирмионом при комнатной температуре

Физики научились управлять отдельным магнитным скирмионом при комнатной температуре

Группа японских физиков впервые смогла управлять движением отдельного магнитного скирмиона при комнатной температуре, используя наносекундные импульсы тока. Исследователи рассчитывают, что в дальнейшем это может иметь приложения в спинтронике. Статья опубликована в Nature Communications.

Скирмионом называют топологический солитон, который представляет собой отображение области физического трехмерного пространства во вспомогательное многообразие, форма и размерность которого зависят от физической системы, в которой возникает скирмион. Это отображение характеризуется целым числом, которое математики называют степенью отображения. С физической точки зрения это число является зарядом, сохраняющимся при взаимодействиях скирмионов друг с другом и с другими частицами. Наличие сохраняющегося заряда делает эту квазичастицу стабильной.

Скирмионы могут иметь разную размерность. Например, трехмерные скирмионы используются в низкоэнергетической хромодинамике для описания барионов и в космологии ранней Вселенной, где их образование может приводить к возникновению наблюдаемых аномалий в неоднородности космического микроволнового фона. Возникают трехмерные скирмионы и в конденсате Бозе — Эйнштейна, и даже в световых лучах.

В твердых телах обычно образуются двумерные магнитные скирмионы, представляющие собой устойчивые вихреподобные области обратной намагниченности. Их движением в материале можно управлять с помощью приложенного поверхностного тока. До сих пор, однако, ученым удавалось контролировать или скирмионные пузыри микрометровых размеров в тонкопленочных гетероструктурах с помощью очень больших плотностей тока порядка 1010—1012 А × м-2, или же нанометровые скирмионы в магнитах при температуре примерно равной 120 кельвинам.

Группа японских физиков под руководством Сючжэнь Юя (Xiuzhen Yu) из Института физико-химических исследований RIKEN продемонстрировала возможность управлять движением отдельного скирмиона в хиральном магните Co9Zn9Mn2 с помощью наносекундных импульсов тока. Сначала магнитная пластинка помещалась в перпендикулярное ей магнитное поле величиной -80 миллитесла, переводящее вещество в коническую фазу. Для создания в магните скирмионной решетки исследователи использовали импульсы тока, а отдельный скирмион размером около 100 нанометров изолировали от решетки с помощью контролируемого изменения направления магнитного поля.

Для изучения движения изолированного скирмиона исследователи прикладывали к материалу импульсы тока продолжительностью 150 наносекунд, и наблюдали за его движением с помощью лоренцевской просвечивающей электронной микроскопии. Под воздействием этих импульсов скирмион приобретал параллельную току компоненту скорости, а благодаря эффекту Холла возникала и перпендикулярная компонента, что привело к движению под углом, называемом углом Холла. При изменении первоначального значения тока, равного −6,06 × 1010 A × м−2, на противоположно направленный ток 6,32 × 1010 A × м−2, как параллельная, так и перпендикулярная компоненты скорости скирмиона меняли знак.

Изменив значение магнитного поля с -80 миллитесла на 50 миллитесла, физики превратили скирмион с топологическим зарядом +1 в скирмион с зарядом -1, и пронаблюдали за его движением. Как и предсказывалось теоретически, при смене направления поля знак продольной компоненты скорости не изменился, а перпендикулярная компонента сменила направление на противоположное.

Теоретический анализ динамики скирмионов в магните показывает, что примеси в этом веществе мешают движению квазичастицы, и при значении тока ниже критического j*C скирмион вообще не должен двигаться. При преодолении величиной тока этого значения, скирмион должен двигаться скачками от одной примеси к другой. И наконец, существует достаточно большое значение электрического тока jC, при котором создается устойчивый скирмионный ток. Именно такое поведение исследователи наблюдали, экспериментально найдя значения критических токов j*C= 2,52 × 1010 A × м−2 и jC = 4,54 × 1010 A × м−2.

Исследователи надеются, что их работа поможет в дальнейшем изучении динамики различных топологических спиновых текстур в материалах, а также может иметь применения в спинтронике, где скирмионы рассматриваются в качестве перспективных логических элементов.

Ранее мы писали о том, как физики научились управлять движением скирмионов с помощью электрического поля, а также с помощью механической энергии.

Самые свежие новости медицины в нашей группе на Одноклассниках

Оставить комментарий

Вы можете использовать HTML тэги: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>