Рентгеновские лучи показали скирмионы в новом свете

Международный коллектив исследователей, работающих с синхротронным источником излучения (Advanced Light Source, ALS) в Берклиевской национальной лаборатории США, впервые использовал метод резонансного рентгеновского рассеяния для наблюдения субатомных квазичастиц скирмионов в селените меди (Cu₂SeO₃), изоляторе со свойствами мультиферроика.

Хотя скирмионы ведут себя подобно элементарным частицам барионам, на самом деле они представляют собой дискретные магнитные вихри, формируемые спинами заряженных частиц. Они были теоретически предсказаны британским физиком Тони Скирмом (Tony Skyrme) в 1962 г. Открытие скирмионов с топологически защищенной спиновой текстурой в силициде марганца, а также демонстрируемая ими способность когерентно перемещаться на макроскопические расстояния с электрическим током, сделали их популярными кандидатами на использование в будущих спинтронных технологиях.

Принципиальным прорывом стало открытие скирмионов в селените меди, поскольку его магнитные свойства могут контролироваться электрическим полем. Но для того, чтобы реализовать такое управление необходимо понимать, как различные электронные орбитали стабилизируют фазу скирмиона. До этой работы скирмионы в селените меди наблюдали посредством нейтронного рассеяния и трансмиссионной электронной микроскопии — методами, не обладающими чувствительностью к электронным орбиталям.

«Мы сделали неожиданное открытие, обнаружив две отдельные субрешетки скирмионов, способные вращаться относительно друг друга, создавая муаровые рисунки, — комментирует полученные результаты Суджой Рой (Sujoy Roy), один из авторов статьи в Physical Review Letters. — В сравнении с материалами с более простой магнитной структурой, субрешетки обеспечивают дополнительную степень свободы для минимизации свободной энергии. Это ведет к магнитным возбуждениям, которые не могли бы существовать в материалах с одиночной магнитной решеткой».

«Мы смогли показать, что несмотря на то, что скирмионы ведут себя подобно магнитным частицам, в селените меди они имеют электронное происхождение, — свидетельствует главный автор статьи Мэттью Лангнер (Matthew Langner). — Мы также установили, что можно использовать температуру для перемещения скирмионов в селените меди как по, так и против часовой стрелки».

Управление движением скирмионов в мультиферроике означает, что эти магнитные вихри можно использовать для записи и чтения информации. Особенно перспективными скирмионы считают для одной из разновидностей концепций голографического хранения данных, называемой магнитной «беговой» памятью (от race-track — гоночная трасса или беговая дорожка).

Помимо прикладных аспектов, результаты работы коллектива в Беркли открывают возможность изучения с помощью рентгеновских лучей спектроскопических и электронных свойств скирмионов, а также того, как они меняются во времени при фундаментальных взаимодействиях.

Стратегія охолодження ЦОД для епохи AI