Скирмионы оказались не плоскими: ученые реконструировали 3D структуру магнитных вихрей

Магнитные скирмионы, представляющие собой крошечные вихри намагниченности, являются перспективными объектами для использования в спинтронике — новой области электроники, основанной на управлении спином электрона. Долгое время скирмионы рассматривались как двумерные структуры с закрученной спиновой текстурой. Их топологические свойства, определяющие «степень закрученности», характеризовались одним числом — топологическим зарядом или скирмионным числом.

Однако, в реальных материалах скирмионы имеют конечную толщину, сравнимую с характерными размерами магнитных взаимодействий. Поэтому, игнорирование третьего измерения может привести к неполному пониманию свойств и поведения скирмионов.

Для решения этой проблемы группа ученых из США и Швейцарии провела исследование, целью которого было реконструировать полную трехмерную структуру скирмиона. В качестве объекта исследования был выбран скирмион, сформированный в многослойной магнитной пленке на основе иридия, кобальта и платины.

Для получения трехмерного изображения скирмиона был использован метод мягкой рентгеновской ламинографии. Суть метода заключается в получении серии двумерных изображений объекта под разными углами с помощью рентгеновского излучения. Затем, используя специальные алгоритмы, эти двумерные изображения объединяются в единую трехмерную модель.

Мягкое рентгеновское излучение, используемое в данном исследовании, обладает рядом преимуществ. Во-первых, оно чувствительно к магнитным свойствам материалов, что позволяет визуализировать структуру магнитных объектов. Во-вторых, мягкое рентгеновское излучение имеет относительно большую длину волны, что позволяет получать изображения с высоким разрешением. В данном случае, разрешение составило около 20 нанометров.

Результаты исследования показали, что скирмион не является однородным «блином», а его структура меняется по мере продвижения вглубь материала. Топологическое число, характеризующее «закрученность» скирмиона, также оказалось неоднородным по толщине пленки.

Анализ полученных данных позволил ученым сделать вывод о том, что изменение структуры скирмиона связано с неравномерным распределением конкурирующих магнитных взаимодействий в материале. Ключевыми взаимодействиями, определяющими структуру скирмиона, являются:

• Обменное взаимодействие: стремится выровнять спины соседних атомов в одном направлении.

• Магнитная анизотропия: определяет предпочтительное направление намагниченности в материале.

• Взаимодействие Дзялошинского-Мория: способствует возникновению неколлинеарных спиновых структур, в том числе скирмионов.

Изменение соотношения этих взаимодействий по толщине пленки приводит к изменению структуры скирмиона. Например, в областях с высокой магнитной анизотропией скирмион может быть более «сжатым» в направлении, перпендикулярном плоскости пленки.

Данное исследование имеет важное значение для развития спинтроники. Трехмерная структура скирмионов может быть использована для создания новых типов устройств, например, логических элементов или запоминающих устройств. Понимание механизмов, определяющих трехмерную структуру скирмионов, позволит создавать скирмионы с заданными свойствами, что необходимо для разработки новых спинтронных устройств.

Кроме того, это исследование открывает новые возможности для изучения фундаментальных свойств магнетизма. Метод мягкой рентгеновской ламинографии позволяет получать детальную информацию о структуре магнитных объектов на наномасштабном уровне, что открывает новые горизонты для исследований в области физики конденсированного состояния.

Дальнейшие исследования в этой области направлены на:

• Уточнение механизмов, определяющих трехмерную структуру скирмионов.

• Разработку новых методов управления структурой скирмионов, например, с помощью электрических или магнитных полей.

• Создание новых спинтронных устройств на основе трехмерных скирмионов.

Таким образом, исследование трехмерной структуры скирмионов является важным шагом на пути к созданию новых технологий, основанных на управлении спином электрона.