Теперь магнитные скирмионы могут быть трёхмерными - и это удивительно

Впервые удалось получить трёхмерное изображение магнитного скирмиона – крошечного спиралевидного дефекта в магнитных свойствах некоторых материалов, который может найти применение в создании электронных устройств хранения данных нового поколения и квантовых компьютеров.

В то время как двумерные модели скирмионов были весьма ценными, новое исследование, проведённое учёными из США и Швейцарии, продемонстрировало, что эти вихревые частицы не ограничены плоскими поверхностями. Они имеют более сложную структуру, и поэтому изучение их трёхмерного строения имеет критическое значение. Новое исследование физика Дэвида Рафтри из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли, штат Калифорния, позволяет нам лучше понять основы магнитных материалов и их потенциальные возможности применения, учитывая их широкое использование в различных областях. “На микроскопическом уровне присутствие скирмионов и других магнитных структур коренным образом определяет свойства, поведение и функциональность магнитных материалов”, - утверждают авторы научной работы.

На наноуровне в определённых магнитных материалах скирмионы проявляются как стабильные стоячие волны, образованные вихрями из противоположно направленных спинов электронов. Эти вихри могут быть вызваны электрическим зарядом или магнитным полем. Рафтри и его коллеги использовали передовую технологию, называемую магнитной рентгеновской ламинографией, которая аналогична медицинской компьютерной томографии, но применяется к более простым материалам.

При вращении и перемещении объекта получают множество снимков, что позволяет создать трёхмерную модель. В данном случае объектом исследования был очень маленький магнитный диск, содержащий скирмионы, размером всего 800 нанометров в диаметре и 95 нанометров в толщину. Чтобы получить толщину, сравнимую со стандартным листом бумаги, потребовалось бы сложить примерно тысячу таких дисков друг на друга. Исследование было длительным и кропотливым, занявшим несколько месяцев, однако в конечном итоге учёные, благодаря применению сложных алгоритмов для обработки рентгеновских изображений, получили углублённое понимание спиновой структуры скирмионов. “Вы можете реконструировать скирмион, используя множество изображений и данных”, - поясняет Рафтри.

Впервые удалось визуализировать структуру скирмионов в трёх измерениях, что позволило узнать их точную форму, способы взаимодействия и изменения послойно. Это является большим прорывом по сравнению с двумерными изображениями, которые были доступны ранее. Физиков привлекает высокая стабильность, скорость и устойчивость к разрушению скирмионов. Эти свойства позволяют предположить, что они могут быть использованы для хранения информации (битов данных) более компактным и эффективным способом, чем применяют традиционные подходы.

Это область науки, известная как спинтроника, в которой для вычислений вместо заряда электронов используют их спины. Как показали предыдущие исследования, это открывает путь к значительному уменьшению размеров компьютеров и их миниатюризации. “Использование заряда электрона, как это делается сейчас, сопровождается неизбежными потерями энергии. Использование спинов позволит существенно снизить потери”, - отмечает материаловед Питер Фишер из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли.