Международный коллектив ученых исследовал характеристики движения магнитных вихрей в сверхтонких проводящих электрический ток пленках. Оказалось, что большую роль играет не только размер магнитного возмущения, но и структура материала. Полученные данные позволят создать устройства для хранения и передачи информации более эффективные, чем современные жесткие диски. Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в журнале Nature Communications. Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда.
Магнитные и электрические поля тесно взаимосвязаны, так как первое порождает второе и наоборот. В проводящих электрический ток пленках толщиной меньше тысячных долей миллиметра при воздействии магнитного поля образуются завихрения, называемые скирмионами. Эти объекты в миллионы раз меньше миллиметра и ведут себя так, словно являются настоящими частицами какого-то материала: могут двигаться и отвечать на изменения в магнитном поле.
Если представить магнитное поле как потоки воздуха, то скирмионы можно сравнить с вихрями, образующимися под действием локальной разности давления. Магнитное поле формируется в пленках неоднородно, в нем есть более разреженные и более плотные участки. Внутри магнитной пленки распространяются спиновые волны, представляющие собой волны намагниченности, которые возбуждаются тепловыми колебаниями решетки атомов магнитного материала. Кроме того, так же, как и воздушные вихри, скирмионы и спиновые волны чувствительны к ландшафту под ними. Размер скирмионов во многом определяется свойствами материала и его несовершенствами. Например, возмущение магнитного поля может сформироваться возле небольшой царапины или, наоборот, выступа. Поскольку речь идет об очень маленьких объектах в сверхтонких пленках, точкой, инициирующей создание скирмиона, может стать пара атомов, возвышающихся над поверхностью. При этом скирмионы могут приходить в движение под действием спиновых волн.
На основе сверхтонких магнитных структур можно создавать более совершенные носители информации, работающие быстрее и надежнее современных. Сегодня для хранения данных нужно наложить магнитное поле на участок диска фиксированного размера, задавая тем самым значение 1 или 0 машинного кода. Создание скирмионов меньше этого размера позволит «уплотнить» хранилище в несколько раз. Кроме того, за счет возможности управления их движением можно создавать так называемую «беговую память» (racetrack memory). В жестком диске информация регистрируется с вращающегося элемента, а в запоминающем устройстве нового поколения по неподвижной тонкой проволоке мимо считывателя будут пробегать скирмионы. Это позволит обойтись без механически движущихся частей, что ускорит работу и повысит надежность запоминающего устройства.
В лаборатории «Метаматериалы» Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского ученые исследовали спиновый транспорт в многослойных сверхтонких магнитных пленках и процессы формирования в них стабильных скирмионов. При этом толщины магнитных слоев в пленках имели величину менее одной миллионной доли миллиметра. На уникальной установке Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии можно увидеть колебания локального магнитного поля благодаря регистрации изменений частоты светового пучка. Для этого ученые использовали лазерные источники узконаправленного света в определенном диапазоне длин волн. Луч фокусировали на образце с помощью микрообъектива. Световые частицы теряют часть энергии или, наоборот, приобретают дополнительную после взаимодействия с магнитными волнами. В результате исследования ученые заметили, что скирмионами можно управлять, воздействуя на них электрическим током, однако большой вклад вносит микроструктура материала, по которому происходит движение. Даже небольшие царапинки и несовершенства приводят к отклонению магнитных вихрей. Кроме того, ранее считалось, что скирмион отклоняется от направления управляющего им электрического тока на угол, зависящий от размера завихрения. Международный коллектив исследователей обнаружил, что для скирмионов диаметром от 35 до 825 миллионных долей миллиметра угол остается неизменным и равен 9?. Это означает, что направление движения скирмионов с размерами в изученном диапазоне будет одинаковым. В этом случае открываются новые перспективы для создания управляемых устройств «беговой памяти» с возможностью пространственного разделения скирмионов по размеру, кодирования в их размерах дополнительной информации и ускоренному обращению к данным, записанным в скирмионах нужного типа.
«Мы применили уникальную методику исследования латерального спин-волнового транспорта в ультратонких магнитных пленках с толщинами меньше одного нанометра методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии магнитных материалов. Нам удалось провести измерения управляемого спин-волнового транспорта. Разработка методов управления динамикой спиновых волн и скирмионов открывает возможность создания систем обработки информационного сигнала нового поколения», — поделился руководитель проекта Александр Садовников, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики открытых систем Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского.