Движение скирмионов в антиферромагнетиках оказалось потенциально управляемым

Физики из Университета Тохоку в Японии впервые изучили динамику необычных квазичастиц — скирмионов — в антиферромагнетиках. Ученые показали, что в отличии от ферромагнетиков в антиферромагнетиках скирмионы могут распространяться вдоль величины приложенного поля, причем делают это с большей скоростью. Такое поведение позволяет контролировать местоположение квазичастиц, что может потенциально привести к созданию устройств для хранения данных на их основе. Препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

По сути же, магнитные скирмионы (skyrmions), названные так по имени ученого Тони Скайрма, — это квазичастицы, представляющие собой особую структуру, в которую выстраиваются спины в (анти)ферромагнетиках. Для образования одного скирмиона нужно несколько атомов вещества, но если он оказывается устойчив, то далее спины в такой группе атомов могут быть описаны как единое целое, отсюда и термин — квазичастица.

До сих пор магнитные скирмионы остаются «неуловимыми» объектами для физиков: известно лишь небольшое число работ, в которых бы удалось экспериментально зафиксировать скирмионы. Тем не менее, их свойства оказываются очень привлекательны. Эти объекты обладают достаточной устойчивостью для практического приложения, а их крайне малый размер (порядка 1-2 наномеров) делает преспективным создание запоминающих устройств на их основе.

Для того, чтобы рассматривать применение скирмионов в электронике, необходимо уметь ими управлять. Здесь и возникает одна из существенных проблем: скирмионы не удается перемещать «традиционным» для электроники способом — приложением внешнего электрического поля. Эти частицы движутся в направлении поля, но также возникает и поперечная сила, которая «сносит их» в нежелательном направлении. Эта сила — эффект Магнуса — возникает из-за спиновой природы скирмиона. Она полностью аналогична тому, как закрученный мяч в пинг-понге летит не прямо, а по дуге из-за собственного вращения.

В новой работе авторы предлагают решение этой проблемы. Они рассматривают поведение скирмиона не в ферромагнетике, а в антиферромагнетике. Оба этих типа вещества характеризуются тем, что спины в их решетке выстраиваются упорядоченно. В ферромагнетиках это приводит к тому, что у вещества появляется «макро» намагниченность, поэтому, например, из них делают постоянные магниты.

Антиферромагнетики представляют собой фактически комбинацию из двух ферромагнетиков, «вложенных» друг в друга на атомарном уровне. Причем вложенных так, что спины каждой из подрешеток компенсируют друг друга, поэтому общая намагниченность в таких веществах практически отсутствует.

Наличие упорядоченности спинов допускает образование в таких системах скирмионов. Причем фактически эти квазичастицы представляют собой комбинацию из двух скирмионов, направленных в противоположные стороны. При включении внешнего поля возникают поперечные силы, действующие на каждую из частей скирмиона, при этом теоретически удалось показать, что эти силы одинаковы по величине и противоположны по направлению, поэтому в итоге они компенсируют друг друга. В результате такого эффекта исчезает поперечная сила, и скирмион движется строго вдоль приложенного поля.

Эти результаты авторы проверили в компьютерной модели одиночного скирмиона, образованного в антиферромагнетике G-типа (в нем спины выстроены по мотиву трехмерной шахматной доски). По результатам моделирования оказалось, что поперечная сила действительно отсутствует, а скорость продольного движения была выше, чем у скирмионов в ферромагнетиках.

Последний эффект имел также и несколько отрицательных последствий. Так, наравне со скоростью продольного движения, усилилось и тепловое (Броуновское) движение в скирмионах. Авторы замечают, что с одной стороны, это может сказаться на точности управления перемещением скирмиона, с другой стороны — это открывает возможности управлять этой квазичастицей на при помощи электрического поля, а, например, при помощи градиентов температур.