Хопфионы.
Отличные кандидаты для передачи данных.
Десять лет назад открытие магнитных скирмионов воодушевило учёных перспективой работать с данными на основе спина электрона, а не его заряда. Воодушевление давно прошло, все занялись работой, и вот не первые, но уже большие подвижки.
Итак, начнём с начала.
Квазичастицы – этакие псевдоэлементы вселенной, предложенные ещё в прошлом веке советским физиком Львом Ландау, – представлены в современном теоретическом научном процессе весьма обширно. Они созданы для упрощения представления сложных процессов, протекающих в мире.
Скирмионы – это вид квазичастиц, представляющих собой завихрения, которые образуются под воздействием стороннего магнитного поля в плёнках толщиною несколько десятых нанометра, проводящих чрезвычайно малые токи. Эти завихрения в миллионы раз меньше миллиметра, но это не самое впечатляющее. А всё оттого, что, в действительности не являясь частицами, они ведут себя как самые настоящие частицы – движутся и реагируют на изменения поля.
Это открытие дало важные новые сведения о том, как микроскопические спиновые текстуры позволят спинтронике – новому классу электроники, в котором используется ориентация спина (собственного импульса, вращения) электрона, а не его заряда – кодировать данные.
Однако с переходом на столь малые величины возникает множество новых факторов. К примеру, скирмионы и спиновые волны оказываются столь же чувствительны к ландшафту под ними, как и воздушные завихрения или ветры, какими бы сильными они ни были, весьма зависимы от рельефа земной поверхности. Только если в масштабах планеты речь идёт о горных хребтах, то на уровне молекулярном, исчисляющимся миллиардными долями метра, вопрос может касаться лишь пары атомов, возвышающихся над остальной поверхностью материала, которые окажутся причиной создания скирмиона или коррекции его движения.
В то время как размер и поведение скирмионов во многом определяются свойствами и рельефом материала, их способности возбуждаться или управляться спиновыми волнами давали внушительный аванс доверия в пользу их роли в электронике будущего.
И хотя исследования в этой очень молодой области уже показали внушительные успехи, учёные все ещё не до конца понимали, как создавать материалы спинтроники, которые позволили бы создавать сверхмалые, сверхбыстрые устройства с низким энергопотреблением. Да, скирмионы кажутся многообещающими, но это квазичастицы, представляющие собой завихрения, и, как и всякие вихри, довольно долгое время они воспринимались учёными как двумерные объекты.
Так считалось вплоть до недавних изысканий, показавших, что двумерные скирмионы на самом деле могли бы быть источником трёхмерного паттерна вращения, называемого хопфионами .
Но и тут закралось одно «но»: существование магнитных хопфионов в наномасштабе пока не удавалось доказать экспериментально.
И вот теперь группа исследователей во главе с Лабораторией Беркли сообщила в Nature Communications о первой демонстрации и наблюдении трёхмерных хопфионов, возникающих из скирмионов в наномасштабе в магнитной системе.
«Мы не только доказали, что существуют сложные спиновые текстуры, такие как 3D-хопфионы, – мы также продемонстрировали, как их изучать и, следовательно, использовать , – рассказывает соавтор исследования Питер Фишер, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли, и адъюнкт-профессор физики в Калифорнийском университете в Санта-Крус . – Чтобы понять, как на самом деле работают хопфионы, мы должны знать, как их производить и изучать ».
Предыдущими исследованиями обнаружено отличие в манере перемещения между скирмионами и хопфионами: если первые могут «сбиться с курса» и замедляться из-за свойственной им манеры дрейфовать, то вторые лишены этого недочёта и потому являются отличными кандидатами для передачи данных.
Чтобы подтвердить свои наблюдения, проведено детальное моделирование процесса эволюции 2D-скирмионов внутри магнитного устройства в 3D-хопфионы в тщательно спроектированных многослойных структурах. Чтобы понять, как хопфионы в конечном итоге будут функционировать в устройстве, нужно ещё много изучить и понять, но в целом авторы уже говорят, что их открытие – это важный шаг, приближающий технологические возможности создания высокоплотных, высокоскоростных, маломощных, но сверх устойчивых устройств магнитной памяти на основе внутренней силы электронного спина.
По материалам АРМК
