Но хотя ученые добились больших успехов в этой очень молодой области, они до сих пор не до конца понимают, как разрабатывать материалы спинтроники, которые позволили бы создавать сверхмалые, сверхбыстрые устройства с низким энергопотреблением. Скирмионы могут показаться многообещающими, но ученые долгое время считали скирмионы всего лишь двумерными объектами. Однако недавние исследования показали, что двумерные скирмионы на самом деле могут быть источником трехмерного паттерна вращения, называемого хопфионами.
Но никому не удалось экспериментально доказать существование магнитных хопфионов в наномасштабе.
Теперь группа исследователей во главе с лабораторией Беркли сообщила в Nature Communications о первой демонстрации и наблюдении трехмерных хопфионов, возникающих из скирмионов в наномасштабе (миллиардные доли метра) в магнитной системе. Исследователи говорят, что их открытие знаменует собой важный шаг вперед в создании высокоплотных, высокоскоростных, маломощных, но сверхустойчивых устройств магнитной памяти, которые используют внутреннюю силу электронного спина.
«Мы не только доказали, что существуют сложные спиновые текстуры, такие как трехмерные хопфионы, – мы также продемонстрировали, как их изучать и, следовательно, использовать», – сказал соавтор исследования Питер Фишер, старший научный сотрудник отделения материаловедения лаборатории Беркли, который также является адъюнкт-профессором. по физике в Калифорнийском университете в Санта-Крус. "Чтобы понять, как на самом деле работают хопфионы, мы должны знать, как их делать и изучать.
Эта работа стала возможной только благодаря тому, что у нас есть эти удивительные инструменты в лаборатории Беркли и наши партнерские отношения с учеными всего мира », – сказал он.
Согласно предыдущим исследованиям, хопфионы, в отличие от скирмионов, не дрейфуют, когда движутся по устройству, и поэтому являются отличными кандидатами для технологий передачи данных. Кроме того, сотрудники теории в Великобритании предсказали, что хопфионы могут возникать из многослойной двумерной магнитной системы.
По словам Фишера, текущее исследование – первое, в котором проверяются эти теории.
Использование инструментов нанопроизводства в Молекулярной литейной лаборатории Беркли, Ноа Кент, доктор философии.D. студент факультета физики Калифорнийского университета в Санта-Крус и группы Фишера в лаборатории Беркли работал с сотрудниками Molecular Foundry, чтобы вырезать магнитные наностолбики из слоев 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.
Хопфионы и скирмионы, как известно, сосуществуют в магнитных материалах, но у них есть характерная спиновая картина в трех 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 магнитно-мягкая рентгеновская просвечивающая микроскопия (MTXM) в ALBA, установке синхротронного света в Барселоне, Испания – для получения изображений различных моделей вращения 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 понимать экспериментальные изображения и проектировать структуры, которые будут поддерживать хопфионы, скирмионы или другие спроектированные трехмерные спиновые структуры», – сказал 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 донкихотских квазичастиц ». динамическое поведение.
«Мы давно знали, что спиновые текстуры почти неизбежно трехмерны, даже в относительно тонких пленках, но прямое изображение было экспериментально сложной задачей», – сказал Хеллман. "Свидетельства, представленные здесь, являются захватывающими, и они открывают двери для поиска и изучения еще более экзотических и потенциально значимых трехмерных спиновых структур."