Новая форма магнетизма позволит уплотнить память устройств в сотни раз
Физики обнаружили новый тип магнетизма в двумерном материале толщиной всего в несколько атомных слоев. Работу выполнила команда из Университета Штутгарта. Полученный эффект интересен не только сам по себе. Он может пригодиться в технологиях хранения данных и заодно помогает лучше понять, как ведут себя магнитные связи в предельно тонких кристаллических структурах.
Внимание к таким системам напрямую связано с ростом цифровых архивов. Магнитная запись по-прежнему используется там, где нужно хранить большие массивы информации. Чтобы увеличивать плотность записи, разработчикам нужны среды, в которых магнитные состояния можно уменьшать в размере без потери устойчивости и управляемости. Руководитель проекта, профессор Йорг Врахтруп, отмечает, что новые результаты полезны и для будущих носителей, и для физики тонких магнитных слоев.
В экспериментах использовали иодид хрома. Это хорошо известный двумерный материал, то есть кристалл, собранный из одной или нескольких атомных плоскостей. Подобные структуры часто ведут себя иначе, чем тот же состав в объемном виде. В данном случае исследователи работали с «пакетом» из четырех атомных слоев иодида хрома и именно в такой конфигурации зафиксировали необычное магнитное состояние.
Выяснилось, что магнитные свойства здесь можно настраивать. Для этого меняли характер взаимодействия электронов в соседних слоях. Спин электрона, его собственный квантовый магнитный момент, напрямую влияет на общую картину намагниченности. От того, как ориентированы спины и как они связаны друг с другом, зависит поведение всей системы. По словам участника работы Руомина Пэна, обнаруженная конфигурация остается стабильной даже при внешних помехах и слабо реагирует на возмущения среды.
Ключевым в исследовании шагом стал небольшой поворот слоев друг относительно друга. Ученые взяли два билэйера, то есть две пары атомных плоскостей, и задали между ними малый угол. Для билэйера без поворота внешнее суммарное магнитное поле обычно не проявляется, это уже было показано ранее. Небольшое скручивание меняет взаимодействие между слоями и приводит к появлению новых магнитных конфигураций.
В таком состоянии возникают скирмионы, наноразмерные вихревые структуры спинов. Их относят к топологически защищенным объектам. Проще говоря, такую конфигурацию трудно разрушить небольшими изменениями условий. В магнитных материалах скирмионы рассматривают как одни из самых компактных носителей информации. Команде впервые удалось не только сформировать их в скрученном двумерном магните, но и напрямую зафиксировать экспериментальными методами.
В статье исследователи описывают протяженные магнитные текстуры, которые не укладываются в границы одной ячейки муарового узора. Муаровый узор появляется, когда две кристаллические решетки накладываются друг на друга с небольшим поворотом или разным периодом. В результате возникает крупный интерференционный рисунок с повторяющейся структурой. Обычно свойства таких скрученных двумерных систем напрямую связывают именно с масштабом этой базовой ячейки. Здесь же зафиксирована магнитная картина более крупного масштаба. Авторы называют ее супермуаровым магнитным состоянием.
При небольших углах поворота слоев размер спиновой текстуры растет вместе с увеличением угла скручивания. Это необычно, потому что сам муаровый период при таком повороте ведет себя наоборот и становится меньше. В экспериментах максимальный размер спиновой структуры доходил примерно до 300 нанометров при угле 1,1°. Такой масштаб примерно на порядок превышает размер одной муаровой ячейки. Когда угол становился больше 2°, эта магнитная структура уже не возникала.