Революция в спинтронике на подходе — ученые создали новые квазичастицы

Спинтроника – особый вид электроники, где для переноса данных применяется не электрический ток, а ток спинов. То есть важным является не заряд электрона как таковой, а направление его спина – собственного импульса. Если создание спинтронных материалов станет реальностью, это позволит производить на их основе миниатюрные устройства с низким энергопотреблением и высокой скоростью работы.

Долгое время главным объектом исследования в спинтронике были магнитные скирмионы, названные так в честь Тони Скайрма, предложившего теоретическую модель подобных квазичастиц еще в 1962 году. По сути, скирмион представляет собой крошечный устойчивый магнитный вихрь.

Долгое время предполагалось, что скирмионы являются исключительно двухмерными. Позднее было доказано, что двухмерные скирмионы могут стать основой для трехмерного магнитного вихря, называемого хопфионом. Однако долгое время не удавалось экспериментально подтвердить, что магнитные хопфионы действительно существуют в наномасштабе. 

Ученые также предполагали, что хопфионы, в отличие от скирмионов, не дрейфуют при движении внутри наноустройства. Это означало, что они более стабильны и потому лучше скирмионов подходят для переноса информации.

И вот недавно исследователи из Национальной лаборатории имени Лоуренса сообщили, что наблюдали возникновение трехмерных хопфионов из скирмионов в специально созданной магнитной системе –  наностолбиках из слоев иридия, кобальта и платины.

В ходе лабораторных исследований ученые смогли разграничить хопфионы и скирмионы. Оба вида квазичастиц существуют в магнитных материалах, но характерная картина спина в трех измерениях у них отличается. Для различения квазичастиц применялись два вида магнитных исследований: фотоэмиссионная электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия.

На основе полученных данных была создана детальная модель, имитирующая эволюционирование двухмерных скирмионов в трехмерные хопфионы в многослойных структурах. Также выяснилось, как квазичастицы будут выглядеть при отображении с помощью поляризованного рентгеновского света. Все это стало прямым подтверждением ранее обоснованного теоретически существования трехмерных спиновых текстур.

В дальнейшем предполагается использовать созданные модели для разработки новых структур, которые будут способны поддерживать хопфионы и скирмионы. Но самое главное – это позволит создавать и другие спроектированные трехмерные спиновые текстуры. Последнее может означать прорыв для спинтроники, которая приблизится к созданию сверхбыстрых устройств с невероятно стабильной магнитной памятью.