Сотрудники Университета ИТМО предложили использовать лазерное излучение для управления свойствами скирмионов – частицеподобных структур – в ферромагнитном материале. Скирмионы можно применять при проектировании менее энергозатратных, но более емких средств хранения и передачи информации. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ), а их результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters, кратко о них рассказывает пресс-релиз РНФ.
«Мы показали, что характерные линейные размеры, устойчивость и форму скирмиона можно контролировать с помощью внешнего электромагнитного поля, например, линейно поляризованного лазерного излучения – излучения, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в некотором направлении, перпендикулярном направлению распространения электромагнитного поля», – рассказал один из авторов статьи Дмитрий Юдин, руководитель проекта, PhD, научный сотрудник Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.
Авторы отмечают, что обнаруженный ими эффект может применяться в спинтронике (в данном случае – в скирмионике). Спинтроника как прикладное направление исследований зародилась в конце 1980-х годов как альтернатива зарядовой электронике. Использование спинового, а не зарядового тока для передачи и обработки информации является краеугольным камнем этой технологии. В устройствах молекулярной спинтроники битом информации является уже не домен, который состоит из множества молекул, а всего лишь одна молекула. Таким образом плотность записи информации повышается в 10-15 раз. Поэтому с помощью принципов спинтроники можно гораздо эффективнее записывать информацию на жесткие диски, создавать новые транзисторы, элементы логики и ячейки памяти.
В ходе работы авторы рассмотрели модель ферромагнитного материала, который представлял собой один слой однородного вещества. Магнитный порядок – это явление, при котором магнитные моменты (векторы) атомов в материале имеют строго определенные направления. Если все векторы направлены в одну сторону, такой порядок называют ферромагнитным, а материал – ферромагнетиком. К ферромагнитным материалам относятся, например, металлы кобальт (Co), никель (Ni) и гадолиний (Gd). Также существует антиферромагнитный порядок, при котором магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны. При этом ферромагнетики обладают намагниченностью даже в отсутствии внешнего магнитного поля, а антиферромагнетики таким свойством не обладают и поэтому считаются слабыми магнитами.
Изначально предполагалось, что в изучаемом слое отсутствует центр инверсии, то есть его внутренняя структура несимметрична относительно замены знаков всех координат на противоположные. Отсутствие центра инверсии приводит к появлению сильного спин-орбитального взаимодействия, то есть взаимодействия между движущейся частицей и ее собственным магнитным моментом, связанным с наличием у частицы спина — вращения частицы вокруг своей оси (но не перемещения ее как целого).
При сильном спин-орбитальном взаимодействии в магнитных материалах появляются сложные спиновые текстуры – скирмионы. Это конфигурации (скопления) магнитных моментов, которые частицей не являются, но по строению подобны ей. Они не принадлежат ни к ферромагнитному, ни к антиферромагнитному порядкам, потому что их магнитные моменты ни параллельны, ни антипараллельны. Скирмионы образуют комбинацию в виде диска с рядами спинов. В центре спин ы направлены вниз, а у краев — вверх. Все спины, находящиеся посередине, являются промежуточными состояниями: если взять по спину из каждого ряда и посмотреть на их расположение, то видно, что они описывают полный круг.
«Хорошо известно, что в магнитных материалах без центра инверсии возможно появление частицеподобных структур скирмионов. Последние могут найти широкое применение в проектируемых устройствах энергонезависимой памяти. В сравнении с устройствами на магнитных доменах в ферромагнитных материалах управление скирмионами как источниками информации требует существенно меньших пороговых значений тока. Использование же внешнего электромагнитного излучения, например, лазера, открывает широкие перспективы для возможности манипулировать отдельными скирмионами в ферромагнитных системах», — заключил ученый.
Работа проходила в сотрудничестве с ученым из Университета Неймегена (Нидерланды).