Интенсивные исследования стабильности при комнатной температуре
Их уникальная магнитная структура, а точнее их топология, придает стабильность скирмионам и защищает их от коллапса. Поэтому скирмионы обозначаются узлами в намагниченности. Однако на атомной решетке твердого тела эта защита несовершенна и существует лишь конечный энергетический барьер. "Ситуация сравнима с шариком, лежащим в корыте, которому требуется определенный импульс, энергия, чтобы выбраться из него.
Чем больше энергетический барьер, тем выше температура, при которой скирмион стабилен », – объясняет профессор Стефан Хайнце из Кильского университета. В частности, скирмионы диаметром менее 10 нанометров, которые необходимы для будущих устройств спайнэлектроники, пока обнаруживаются только при очень низких температурах.
Поскольку приложения обычно имеют комнатную температуру, повышение энергетического барьера является ключевой задачей сегодняшних исследований скирмионов.
Ранее была установлена стандартная модель соответствующих магнитных взаимодействий, вносящих вклад в барьер. Группа физиков-теоретиков из исследовательской группы профессора Стефана Хайнце продемонстрировала, что до сих пор не уделялось должного внимания одному типу магнитных взаимодействий. В 1920-х годах Вернер Гейзенберг смог объяснить возникновение ферромагнетизма квантово-механическим обменным взаимодействием, которое возникает в результате спин-зависимых «прыжков» электронов между двумя атомами. «Если учесть прыжки электронов между большим количеством атомов, возникают обменные взаимодействия более высокого порядка», – говорит д-р.
Сувик Поль, первый автор исследования. Однако эти взаимодействия намного слабее, чем парный обмен, предложенный Гейзенбергом, и поэтому в исследованиях скирмионов им пренебрегли.
Слабые обменные взаимодействия высших порядков стабилизируют скирмионы
На основе атомистического моделирования и квантово-механических расчетов, выполненных на суперкомпьютерах Северо-Германского суперкомпьютерного альянса (HLRN), ученые из Киля объяснили, что эти слабые взаимодействия все еще могут вносить удивительно большой вклад в стабильность скирмионов. В частности, циклические прыжки по четырем атомным узлам чрезвычайно сильно влияют на энергию переходного состояния, когда только несколько атомных стержневых магнитов наклонены друг относительно друга.
В ходе моделирования были обнаружены даже стабильные антискирмионы, которые полезны для некоторых будущих концепций хранения данных, но обычно распадаются слишком быстро.
Обменные взаимодействия более высокого порядка появляются во многих магнитных материалах, используемых для потенциальных применений скирмионов, таких как кобальт или железо.
Они также могут стабилизировать скирмионы в магнитных структурах, в которых ранее рассмотренные магнитные взаимодействия не могут происходить или слишком малы. Таким образом, настоящее исследование открывает новые многообещающие маршруты для исследования этих увлекательных магнитных узлов.