Магнітні Скайр'їони та Взаємодія Дзялошовські-Мори

Взаємодія Дзялошовського-Мори

Взаємодія Дзялошовського-Мори виникає мікроскопічно через спіноробочу реакцію в магнітних системах, які не мають інверсійної симетрії, або тому, що кристалічна структура сама по собі є хижою (як у сполуці MnSi), або тому, що інверсійна симетрія порушується локально на межі між ферромагнетиком і важким металом із сильною спіноробочою реакцією (наприклад, в інженерних плівках Pt/Co/Ir або подібних багатошарових плівок). На відміну від звичайної симетричної обмінної взаємодії Гейзенберга, яка записується як скалярний добуток двох сусідніх спінів і просто схильна до паралельного або антипаралельного вирівнювання, взаємодія Дзялошовського-Мори записується як вектор, вставлений у скалярний добуток крос-продуктів двох сусідніх спінів, і явно віддає перевагу схильності спінів до нахилу один відносно одного з фіксованим заломленням, а не просто вирівнюванню або антивирівнюванню. Це ключовий компонент, який змушує те, що іншим чином було б однорідним ферромагнітним станом, утворюватися спіральним або скрученим спіновим малюнком при нульовому полі, і, в поєднанні з зовнішнім магнітним полем, яке схиляє спіни однорідно, створює делікатний енергетичний баланс, з якого виникають локалізовані скірміони та решітки скірміонів. Оскільки взаємодія Дзялошовського-Мори має фіксований знак, встановлений за рахунок основної спіноробочої реакції та хижості кристалу або межі, вона також фіксує хіральність отриманих скірміонів, відрізняючи так звані типу Блоха скірміони, які зустрічаються в масивному хижому магніті, де спіни обертаються у площині, перпендикулярній до кіл навколо ядра скірміона, від типів Нееля скірміонів, які зустрічаються в інтерфейсних плівкових системах, де спіни обертаються радіально, безпосередньо вказуючи на або віддалені від ядра, коли вони звиваються.

Топологічне захисне поле та число скерміонів

Визначною математичною характеристикою скерміона є його топологічний заряд, також відомий як число скерміонів, який обчислюється шляхом інтегрування локального кутового сектора, охопленого напрямом магнітного поля, по двовимірній площині. Для ідеального ізольованого скерміона це оцінюється точно як ціле число, зазвичай мінус один. Це ціле число є топологічною інваріантною: воно може змінитися лише тоді, коли магнітне поле проходить через сингулярну, розривну конфігурацію будь-де, оскільки будь-яка плавна, безперервна деформація текстури з топологічним зарядом один необхідним чином зберігає топологічний заряд один, незалежно від того, наскільки локально її спотворюють. Фізично розмотування скерміону назад у стан однорідного фонового поля вимагає проходження через таку сингулярну точку, яка в реальному магнітному матеріалі відповідає різкому, локальному перевороту одного спіну – події, що коштує кінцеву та часто значну енергетичну перешкоду. Це й пояснює міцність скерміонів: вони набагато краще протистоять руйнуванню тепловими флуктуаціями, слабким зовнішнім впливу або взаємодіям з дефектами матеріалу, ніж традиційні магнітні бульбашки чи домени з топологічною структурою, для знищення яких не потрібно перетинати таку перешкоду. Розмір цієї захисної енергетичної перешкоди залежить від обмінної жорсткості матеріалу (DMI), сили взаємодії Дзялошовського-Морії та анізотропії, і розуміння та проектування цього фактора є центральним для технологій на основі скерміонів, оскільки занадто низька перешкода призводить до небажаного створення та знищення скерміонів тепловими флуктуаціями (корупція даних у пам'яттю), а занадто висока – ускладнює навмисне записування або стирання скерміонів на вимогу.

Фазовий діаграма: спіральна, решітка скірміонів та поляризовані стани

Рівноважний магнітний стан хірального магнетизуваного матеріалу дуже чутливий до співвідношення між силою взаємодії Дзялошовського-Морії (DMI) та жорсткістю обміну, а також до сили прикладеного зовнішнього магнітного поля. Це призводить до утворення багатошарового фазового діаграми. При нульовому або дуже низькому полі - поле, DMI-конкуренція зазвичай стабілізує спіральний стан спінів, спонтанну періодичну спіраль орієнтації спінів із довжиною хвилі, що визначається співвідношенням жорсткості обміну до сили DMI, і не потрібне прикладене поле для створення цієї періодичної котушки. Зі збільшенням прикладеного поля та його сили спіральний стан поступово деформується, а в проміжному діапазоні сил він може перейти до фази гексагонального щільного пакування скірміонів, в якій вартість енергії підтримки повного порядку спіралей у всіх місцях переважає переваги вирівнювання більшості зразка з полем, одночасно дозволяючи DMI стабілізувати локалізовані, топологічно захищені повороти. При ще більших значеннях сили зовнішнього поля енергія Зеемана повністю домінує, скірміони руйнуються один за одним або колективно, і система переходить у тривіальний стан із рівномірного вирівнювання полем. У багатьох масових матеріалах ця «A-фаза» з решіткою скірміонів займає вузьке вікно сил та температур, хоча інженерія інтерфейсу та тонких плівок, а також обережний вибір матеріалів значно розширили та в деяких системах навіть посилили цей діапазон стабільності до кімнатних температур, що є критичним вимогом для практичного застосування.

Формування решітки скірміонів та ознаки нейтронного розсіяння

Самоорганізація окремих скірміонів у регулярну трикутна решітку є вражаючим прикладом виникнення порядку: ідентичні текстури, що відштовхуються один від одного, природним чином упаковуються в однакове щільне гексагональне розташування, яке мінімізує енергію для будь-якого набору взаємно відштовхуваних об'єктів у двох вимірах – від воріт у тип-II надпровідниках до коллоїдальних частинок. Пряма експериментальна ознака цієї самоорганізованої решітки – гарна шестигранно симетрична дифракційна картина, спостережена в невеликих кутових розсіюваннях нейтронів, де нейтрони розсіюються від періодичної магнітної текстури та створюють шість чітких Bragg-подібних точок, розташованих у гексагоні просторовому просторі, що безпосередньо відображає трикутну решітку скірміонів, спочатку задокументовану для масиву MnSi в знакових 2009 році, яка встановила решітку скірміонів як справжню термодинамічну фазу речовини, а не метастабільний артефакт. Додаткові методи візуалізації простору, зокрема, Лоренцевий трансмісійний електронний мікроскопія та спін-поляризована скануюча тунельна мікроскопія, згодом безпосередньо зображували окремі скірміони та їхнє розташування в решітці як у масивних кристалах, так і в інженерно створених тонких плівках, підтверджуючи характерну спіральну структуру магніту та її щільне гексагональне упорядкування, а також дозволяючи проводити детальні дослідження дефектів решітки, динаміки та народження та знищення окремих скірміонів в реальному часі.

Скайріони для магнітної пам’яті та логіки

Технологічна привабливість магнітних скейрйонів ґрунтується на кількох комбінованих перевагах над звичайними магнітними доменами, що використовуються в існуючих концепціях доріжки-пам’яті. Оскільки скейрйони захищені топологічно, вони природним чином стабільніші відносно теплового шуму та завад, спричинених дефектами матеріалу, ніж домени, які легко спотворюються або руйнуються. Через те, що вони зазвичай містять кілька нанометрів до десятків нанометрів - значно менше, ніж звичайний інтервал між доменами, вони обіцяють набагато більшу щільність зберігання даних. Можливо, найважливішим є те, що скейрйони можна зміщувати спін-поляризованими електричними струмами при струмових густинах, декілька порядків величини нижчих, ніж для переміщення звичайних доменів, завдяки ефективному зв’язку між спінами проводильних електронів та топологічним спіном скейрйону, описаному як емерджентна електромагнітна сила, яку іноді називають топологічним ефектом Холла, де спінова текстура обертання скейрйону діє на проходячі проводильні електрони подібно до того, як справжнє магнітне поле діє на заряджену частинку. Ця комбінація стабільності, малого розміру та низької мобільності лежить в основі запропонованої пам’яті з скейрйонами, де потяг скейрйонів переміщується вздовж нанопроводу повз головку читання/запису, а також запропонованих нейроморфних та нетрадиційних схем обчислень, які використовують їхні частинкові динаміки, взаємодії, а також навіть створення та руйнування пар скейрйонів-антискейрйонів як фундаментальних принципів обчислення.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Magnetic Skyrmion Lattices and the Dzyaloshinskii-Moriya Interaction і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.