Магнитные вихри в качестве среды хранения будущего

В совместном научно-исследовательском проекте, проводимом Университетом Йоханнеса Гутенберга в Майнце (JGU) и Массачусетским технологическим институтом (МТИ), удалось добиться прорыва в фундаментальных исследованиях в области потенциальных будущих технологий хранения данных.

Идея заключается в том, что электронные блоки памяти (биты) не будут храниться на вращающихся жестких дисках, какова стандартная практика в настоящее время, а на нанопроводах в виде магнитных вихревых структур, так называемых скирмионов, используя процесс, аналогичный регистру сдвига. Магнитные скирмионные биты предоставляют быстрый доступ при высокой плотности хранения и энергоэффективности. Команде проекта удалось впервые достигнуть целевого сдвига отдельных скирмионов при комнатной температуре с помощью электрических импульсов. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Materials.

Магнитные скирмионы – это специфические спиновые конфигурации, которые могут возникнуть в материалах и, в частности, в тонких слоистых структурах, когда нарушается симметрия инверсии. Что касается систем, которые представляют интерес здесь, это означает, что может быть использована тонкая пленка металла с несимметричной структурой слоя. В таких материалах могут образовываться спиновые конфигурации, которые ведут себя скорее как завиток волос. Столь же трудно разрушить скирмион, как разгладить завиток волос, свойство, которое дает скирмионам повышенную стабильность.

Важной характеристикой скирмионов является то, что они могут существовать в изоляции в магнитных материалах и, как правило, не имеют тенденцию сталкиваться с краем структуры. Это дает им уникальную способность обходить любые отдельные дефекты или неровности в материале, с которыми другие магнитные структуры, такие как доменные стенки, будут сталкиваться. Поэтому скирмионы являются превосходными кандидатами для использования с магнитными регистрами сдвига, иначе известными как беговая память. Данные могут быть закодированы в виде скирмионов, а для перемещения их мимо неподвижных головок чтения/записи может быть использован электрический ток. Процесс был бы и быстрым, и полностью независимым от подвижных механических компонентов и, таким образом, идеально подходил бы для мобильных приложений.

В ходе проекта было показано, что отдельные скирмионы в самом деле могут быть перемещены управляемым образом вдоль магнитной проволоки, то есть, так называемого гоночного трека, под действием электрических импульсов при комнатной температуре. Кроме того, были разработаны и подтверждены экспериментально новые методы для описания их динамики. Эта работа, таким образом, может рассматриваться как база для будущего использования скирмионов в прикладных системах.

«Всегда приятно видеть, когда совместный проект быстро приводит к интересным результатам. Это особенно верно в этом случае, поскольку мы были в состоянии написать эту статью всего лишь в течение года после заключения нашего соглашения о сотрудничестве. Этого никогда бы не могло произойти, если бы не было тесного сотрудничества и оживленного обмена идеями между Университетом Майнца и МТИ», - сказал Кай Литциус (Kai Litzius), соавтор статьи.

Магнитная структура скирмиона симметрична вокруг его ядра; стрелки указывают направление спина