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 j_C, 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 j_C = 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.

Андрей Фельдман