Физики научились управлять скирмионами в нанокристаллах

Изменение структуры магнитных доменов в результате облучения ионным пучком 50 электронвольт (слева) и 100 электронвольт (справа)

A. L. Balk et al./ Physical Review Letters, 2017

Антисимметричное магнитное взаимодействие приводит к возникновению в магнитоупорядоченной среде областей с обратной намагниченностью, например скирмионов. В своей новой работе американские физики предложили способ управлять этим взаимодействием с помощью бомбардировки таких областей ионами аргона с энергией около 100 электронвольт. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Магнитный порядок возникает в кристаллических структурах в результате обменного взаимодействия спинов соседних атомов. Это приводит к взаимной ориентации спинов и возникновению магнитных доменов. В многоэлектронных атомах дополнительный вклад вносит спин-орбитальное взаимодействие и взаимодействие с магнитным полем кристаллической решетки.

В случае, если поле кристаллической решетки является анизотропным, это может приводить к локальной переориентации спинов из-за антисимметричного обмена. Чаще всего такой эффект можно наблюдать в антиферромагнетиках, в которых из-за него возникают области спонтанной намагниченности. Кроме этого, примерами антисимметричного магнитного взаимодействия являются скирмионы — вихревые образования с обратной намагниченностью в магнитных материалах. Ученые многократно предпринимали попытки управлять антисимметричным взаимодействием, но почти всегда изменение энергии антисимметричного обмена дополнительно приводило к большому количеству неконтролируемых сопряженных изменений магнитных свойств.

В своей новой работе американские физики предложили новый способ управления антисимметричным магнитным взаимодействием с использованием пучка ионов аргона Ar+. Ионным пучком ученые облучали трехслойную систему, в которой магнитным компонентом был 0,8-нанометровый слой кобальта, зажатый между двумя более толстыми (но тоже нанометровой толщины) слоями платины. При бомбардировке ионы аргона попадали на слой платины, выбивая часть атомов платины из решетки. Это приводило к увеличению ее шероховатости и, из-за очень небольшой толщины слоя, изменению энергии межфазной границы кобальт-платина и магнитного порядка в слое кобальта.

Для получения необходимой магнитной структуры в нанослое кобальта ученые прикладывали магнитное поле под углом к плоскости пленки. В результате нормальная компонента поля приводила к образованию радиально-симметричной области с магнитным порядком, а тангенциальная компонента — к изменению формы этой области как раз за счет антисимметричного обменного взаимодействия. За изменением формы и структуры образующейся области ученые наблюдали с помощью магнитооптического эффекта Керра. А зная скорость и направление движения доменной стенки, ученые смогли определить величину и знак антисимметричного взаимодействия.

Оказалось, что при облучении низкоэнергетическими ионами энергия антисимметричного взаимодействия положительная, а при облучении высокооэнергетическими — отрицательная. Меняя энергию пучка и величину магнитного поля, физики смогли управлять знаком и величиной антисимметричного обменного взаимодействия. Проварьировав энергию ионного пучка от 50 до 140 электронвольт и магнитное поле от 2 до 12 миллитесла, исследователи получили диаграмму величины антисимметричного магнитного взаимодействия в слое кобальта. Если для слабых магнитных полей преобладает область отрицательной энергии антисимметричного взаимодействия, то для сильных полей влияние ионного пучка сводится к минимуму.

По утверждениям ученых, предложенный ими способ управления антисимметричным магнитным взаимодействием в наномагнитных структурах, позволит создавать устройства с настраиваемыми свойствами скирмионов. Ранее физики уже предлагали способы управления скирмионами, например с помощью механического воздействия. Но до этого управляемо удавалось только создавать и уничтожать их, но не изменять их свойства.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.