Новое исследование впервые показало, как может быть достигнуто электрическое создание магнитных вихрей в антиферромагнетике и управление ими, открытие, которое увеличит емкость хранилища данных и быстродействие устройств следующего поколения.
Исследователи из Школы физики и астрономии Ноттингемского университета использовали методы магнитной визуализации, чтобы составить карту структуры новообразованных магнитных вихрей и продемонстрировать их возвратно-поступательное движение под действием чередующихся электрических импульсов. Их результаты были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.
«Это волнующий момент для нас, эти магнитные вихри были предложены в качестве носителей информации в устройствах памяти следующего поколения, но доказательств их существования в антиферромагнетиках до сих пор было мало. Теперь мы не только сгенерировали их, но и переместили контролируемым образом. Это еще один успех нашего материала CuMnAs, который за последние несколько лет был в центре нескольких прорывов в антиферромагнитной спинтронике», — говорит Оливер Амин.
КуМнАс обладает специфической кристаллической структурой, выращенной почти в полном вакууме, атомный слой за атомным слоем. Было показано, что он ведет себя подобно переключателю при воздействии электрического тока, и исследовательская группа в Ноттингеме, возглавляемая доктором Питером Уодли, совместно с международными сотрудниками «увеличили масштаб» контролируемых магнитных текстур; сначала с демонстрацией движущихся доменных стенок, а теперь с генерацией и контролем из магнитных вихрей. Ключом к этому исследованию является метод магнитной визуализации, называемый фотоэмиссионной электронной микроскопией, который был проведен на британской синхротронной установке Diamond Light Source. Синхротрон генерирует коллимированный пучок поляризованных рентгеновских лучей, который направляется на образец для определения его магнитного состояния. Это обеспечивает пространственное разрешение микромагнитных текстур размером до 20 нанометров.
Магнитные материалы были технологически важны на протяжении веков, от компаса до современных жестких дисков. Однако почти все эти материалы принадлежали к одному типу магнитного порядка: ферромагнетизму. Это тот тип магнитов, с которым мы все знакомы, от магнитов на холодильник до моторов стиральных машин и жестких дисков компьютеров. Они создают внешнее магнитное поле, которое мы можем «почувствовать», потому что все крошечные атомные магнитные моменты, из которых они состоят, как бы выстраиваются в одном направлении. Именно это поле является причиной прилипания магнитов на холодильник и которое мы иногда видим нанесенным на карту с помощью железных опилок. Поскольку у них отсутствует внешнее магнитное поле, антиферромагнетики трудно обнаружить и, до недавнего времени, трудно контролировать. По этой причине они почти не нашли применения. Антиферромагнетики не создают внешнего магнитного поля, потому что все соседние составляющие крошечные атомные моменты направлены в совершенно противоположных направлениях друг от друга. При этом они нейтрализуют друг друга и не создают внешнего магнитного поля: они не прилипают к холодильникам и не отклоняют стрелку компаса. Но антиферромагнетики магнитно более устойчивы, и перемещение их крошечных атомных моментов происходит примерно в 1000 раз быстрее, чем у ферромагнетика. Это могло бы создать компьютерную память, которая работала бы намного быстреполяе, чем современные технологии запоминания.
«Антиферромагнетики обладают потенциалом превзойти другие формы памяти, что привело бы к перепроектированию вычислительной архитектуры, значительному увеличению скорости и экономии энергии. Дополнительная вычислительная мощность могла бы оказать большое влияние на общество. Эти результаты действительно интересны, поскольку они приближают нас к реализации потенциала антиферромагнитных материалов для преобразования цифрового ландшафта», — говорит доктор Питер Уодли.
More information: O. J. Amin et al, Antiferromagnetic half-skyrmions electrically generated and controlled at room temperature, Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01386-3. Journal information: Nature Nanotechnology
Provided by University of Nottingham
Фото: AF textures in CuMnAs. a, Spin structure and force acting on an AF Bloch-type meron under an applied current pulse J. b, Unit cell and magnetic structure of CuMnAs. c,d, XMLD–PEEM images of a vortex structure in CuMnAs. The blue single- and double-headed arrows indicate the X-ray incidence and polarization vectors, while the color wheels and red double-headed arrows indicate the spin axis orientation inferred from the XMLD contrast. The scale bar corresponds to 1 μm. e, Optical image of the device structure used for electrical pulsing. The spatial scale bar corresponds to 10 μm. Credit: Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01386-3 / AF-текстуры в CuMnAs. a, спиновая структура и сила, действующая на AF–мерон блоховского типа при приложенном импульсе тока J. b, элементарная ячейка и магнитная структура CuMnAs. c,d, XML-изображения вихревой структуры в CuMnAs. Синие одно- и двуглавые стрелки указывают векторы падения рентгеновского излучения и поляризации, в то время как цветные круги и красные двуглавые стрелки указывают ориентацию оси вращения, определяемую по контрасту XMLD. Шкала соответствует 1 мкм. e, оптическое изображение структуры устройства, используемого для генерирования электрических импульсов. Шкала пространственного масштаба соответствует 10 мкм. Источник: Nature Nanotechnology (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01386-3