Физики переключили скирмионы-мишени

Группа физиков впервые экспериментально получила скирмионы-мишени, устойчивые даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В статье, опубликованной в Physical Review Letters, ученые показали, что у таких скирмионов есть два устойчивых состояния, переключаться между которыми можно как раз с помощью магнитного поля.

Для повышения устойчивости скирмионов — наноразмерных магнитных вихрей, которые возникают в некоторых магнитных материалах — обычно используется внешнее магнитное поле. В недавних теоретических работах ученые предсказывали возможность образования в нанодисках из таких материалов необычных скирмионов — скирмионов-мишеней (target-skyrmions), — в которых сам круговой скирмион окружен дополнительным кольцом из спинов, закрученных в противоположном направлении. Поскольку поле внешнего кольца противоположно полю самого скримиона, то такое образование устойчиво даже без внешнего поля. Такие скирмионы, в отличие от всех остальных, имеют два устойчивых состояния с разными направлениями магнитных вихрей, и поэтому они могут быть использованы для создания запоминающих устройств. Тем не менее, экспериментально такие скирмионы до настоящего дня получить не удавалось.

Группа физиков из США и Китая под руководством Цзядуна Цзана (Jiadong Zang) из Университета Нью-Гэмпшира и Хайфэна Ду (Haifeng Du) из Китайского университета науки и технологий смогла впервые получить скирмионы-мишени экспериментально и визуализировала изменение их конфигураций при изменении внешнего магнитного поля. Для этого с использованием сфокусированного пучка электронов физики создали нанодиски из хирального магнитного материала FeGe диаметром 160 нанометров и толщиной около 90 нанометров в матрице состава PtC_x.

Чтобы проследить за динамикой изменения вихревых магнитных структур в таких дисках при увеличении внешнего поля до 500 миллитесла, авторы работы использовали внеосевую электронную голографию. Оказалось, что при отсутствии внешнего магнитного поля в таком нанодиске действительно формируется скирмион-мишень, в котором вихревая спиновая структура закручена либо по часовой стрелке, либо против.

Поскольку направление закрученности вихря зависит от направления спинов в центре скирмиона, внешнее магнитное магнитное поле можно использовать для изменения состояния скирмиона. Так, при увеличении поля до примерно 200 миллитесла у скирмиона, изначально закрученного по часовой стрелке, происходит постепенное перестроение конфигурации, и направление вихря сменяется на противоположное.

При этом одинаковое поле на скирмионы двух типов действует по-разному. Если направление внешнего поля совпадает с направление намагниченности в центре скирмиона, то это приводит лишь к небольшому искажению его структуры и постепенному разрушению. Если же направления противоположные, то внешнее поле становится причиной смены состояния.

В процессе «переключения» в качестве промежуточных стадий образуются сложные структуры, состоящие из нескольких концентрических колец с чередующимся направлением магнитных вихрей, что согласуется с теоретическими расчетами и данными численного моделирования. Таким образом ученым удалось показать, что создание скирмионов с двумя устойчивыми состояниями возможно и без внешнего магнитного поля, а также предложили способ для их переключения. По словам авторов работы, полученные результаты подтверждает перспективность использования магнитных скирмионов для хранения информации.

Ранее физики показали, что возбуждать и удалять скирмионы можно, например, с помощью механического воздействия. А для изменения их формы и положения внутри кристалла можно использовать с бомбардировку ионами аргона.

Александр Дубов