Трёхмерный спин. Реализация спинтроники стала ближе.

Художественный рисунок характерной трёхмерной спиновой текстуры магнитного хопфиона. Источник: Питер Фишер и Фрэнсис Хеллман / Лаборатория Беркли. 

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. Например, нам не обязательно описывать все перипетии и метаморфозы клеток нервной и мышечной систем, чтобы сказать, что мозг дал команду вашей руке сжаться. Команда в данном случае грубо иллюстрирует суть квазичастицы.

Так вот, десять лет назад были «открыты» магнитные скирмионы – 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. Ведь в действительности не являясь частицами, они ведут себя как самые настоящие частицы – движутся и реагируют на изменения поля.

Причём, как то не редко бывает в науке, сначала они были выведены теоретически (ещё в 1962 году, когда Ландау получил Нобелевскую премию) британским физиком Тони Скайрмом в качестве математической модели в физике элементарных частиц, и лишь десятилетие назад получили экспериментальное подтверждение существования.

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, которые необходимо учесть. 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. Авторы 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.

«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. Кроме того, участвующие в проекте учёные-теоретики из Великобритании предсказали, что хопфионы могут-таки возникать из многослойной двумерной магнитной системы. И текущее исследование – по словам Фишера, – первое, в котором проверяются эти теории.

«Эта работа стала возможной только потому, что у нас есть эти удивительные инструменты в лаборатории Беркли и наши партнерские отношения с учеными по всему миру», – отмечает он.

Используя инструменты нанопроизводства Молекулярной Литейной Лаборатории Беркли, доктор Ноа Кент, аспирант факультета физики Калифорнийского университета Санта-Крус и группы Фишера в лаборатории Беркли работал с сотрудниками Молекулярной Литейной, чтобы вырезать магнитные наностолбики из слоёв иридия, кобальта и платины.

Многослойные материалы были подготовлены докторантом Калифорнийского университета в Беркли Нилом Рейнольдсом под руководством соавтора Фрэнсис Хеллман, которая является старшим научным сотрудником Отделения материаловедения лаборатории Беркли и профессором физики, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. Она также возглавляет программу Министерства энергетики по неравновесным магнитным материалам (NEMM), которая поддержала это исследование.

Нам известно, что хопфионы и скирмионы сосуществуют в магнитных материалах, но у них есть характерная спиновая картина в трёх измерениях. Итак, чтобы отличить их друг от друга, исследователи использовали комбинацию двух передовых методов магнитной рентгеновской микроскопии - X-PEEM (рентгеновская фотоэмиссионная электронная микроскопия) в пользовательском объекте синхротрона лаборатории Беркли, Advanced Light Source; и магнитная лёгкая просвечивающая рентгеновская микроскопия (MTXM) в ALBA, установке синхротронного света в Барселоне, Испания, для получения изображения различных спиновых паттернов хопфионов и скирмионов.

Чтобы подтвердить свои наблюдения, исследователи затем провели детальное моделирование, чтобы имитировать, как 2D-скирмионы внутри магнитного устройства эволюционируют в 3D-хопфионы в тщательно спроектированных многослойных структурах и как они будут выглядеть при отображении с помощью поляризованного рентгеновского света.

«Моделирование – чрезвычайно важная часть этого процесса, позволяющая нам понять экспериментальные изображения и спроектировать структуры, которые будут поддерживать хопфионы, скирмионы или другие спроектированные спиновые трёхмерные структуры», – поясняет Хеллман.

Чтобы понять, как хопфионы в конечном итоге будут функционировать в устройстве, исследователи планируют использовать уникальные возможности лаборатории Беркли и исследовательское оборудование мирового уровня, которые Фишер описывает как «необходимые для выполнения такой междисциплинарной работы», – для дальнейшего изучения динамического поведения донкихотских квазичастиц.

«Мы давно знали, что спиновые текстуры почти неизбежно трёхмерны, даже в относительно тонких плёнках. Но прямое изображение было экспериментально сложной задачей», – признаёт профессор Хеллман. – Свидетельства здесь захватывающие, и они открывают двери для поиска и исследования ещё более экзотических и потенциально значимых трёхмерных спиновых структур».

АРМК, по материалам Berkeley Lab