Российские физики поделили магнитные вихри на коллективистов и единоличников

Изображение: Newton Henry Black, Harvey N. Davis, 1913

Ученые из МФТИ и Института общей физики им. А.М. Прохорова выяснили, что микроскопические магнитные вихри в моносилициде марганца, называемые скирмионами, могут существовать в двух состояниях: разделяться или наоборот создавать единую структуру.

Моносилицид марганца MnSi — это один из главных модельных объектов для спинтроники — раздела квантовой электроники, исследующего возможности управления током электронов с одинаковыми направлениями спинов (спином называют собственный момент импульса частицы или, очень упрощенно говоря, в случае электрона — направление его вращения вокруг собственной оси). Устройства спинтроники, использующие устойчивые магнитные состояния как бит информации, могут стать основой для создания более быстрых и компактных процессоров с низким энергопотреблением, а также быстрой, надежной и энергонезависимой памяти. Именно поэтому ученые уделяют пристальное внимание изучению электрических и магнитных свойств материалов с экзотическими магнитными структурами.

Однако в случае MnSi теоретики пока не могут полностью объяснить его необычные магнитные свойства: при очень низких температурах (примерно -245 ºС) внутри кристалла внешнее магнитное поле «закручивает» спины электронов в сложную структуру из периодически расположенных скирмионов (она напоминает пчелиные соты с размером ячейки в 18 нм). Для того чтобы использовать MnSi в практических целях, необходимо понять, состоит ли эта структура из отдельных вихрей, которые можно рассматривать независимо друг от друга, или образуется более сложная, зависящая от направления кристалла магнитная картина, которую нельзя разделить на отдельные вихри.

Типы магнитной структуры моносилицида марганца MnSi в зависимости от величины магнитного поля, температуры и ориентации кристалла. Изображение предоставлено авторами исследования


В исследовании, опубликованном в журнале Scientific Reports, российские ученые измерили удельное сопротивление моносилицида марганца с очень высокой точностью в зависимости от температуры и направления магнитного поля и по этим данным смогли сделать вывод о его внутренней структуре.

«Наш эксперимент выявил четкую границу между различными состояниями скирмионной фазы, — рассказывает профессор МФТИ, заведующий отделом низких температур и криогенной техники ИОФ РАН Сергей Демишев. — Оказывается, у MnSi существует два типа скирмионных решеток, имеющих различную физическую природу. Одна область соответствует скирмионной решетке, образовавшейся в результате конденсации индивидуальных магнитных вихрей, а другая — сложной магнитной фазе, которая не может распадаться на отдельные скирмионы. При этом наблюдение скирмионной решетки, состоящей из одиночных вихрей, подтверждает глубокую аналогию со сверхпроводниками второго рода, смешанное состояние которых образовано вихрями Абрикосова».

Исследование поведения скирмионов поможет создать квантовые электронные устройства для передачи, хранения информации и выполнения различных логических операций. Теперь дело за малым: физикам осталось найти материалы, аналогичные высокотемпературным сверхпроводникам, в которых миниатюрные магнитные вихри будут устойчивы при комнатных температурах. Напомним, что ранее ученые из МГУ разработали элементы спинтроники, способные управлять магнитным полем. Они представляли собой «сэндвичи» из нанослоев ферромагнетика, сверхпроводника и других металлов.
Теги:

Читать еще на Чердаке: