Российские физики обнаружили в соединении марганца и кремния магнитные вихри разной физической природы: одни существуют индивидуально, а другие образуют единую структуру.

Благодаря собственному магнитному моменту электрона – спину, ¬ атомы магнитного материала ведут себя как маленькие магнитики и, можно сказать, сами обладают спином.  При намагничивании спины атомов выстраиваются в одном направлении, и вещество превращается в магнит. Но в 2009 году физики обнаружили, что в некоторых магнитах при намагничивании возникают вихревые структуры из спинов, в которых спины отдельных атомов словно закручены в определенном направлении (см. рисунки). Эти магнитные вихри получили название скирмионы, по имени британского физика Тони Скёрма (Skyrme, 1922–1987), который предложил в 1962 году математическую модель подобной структуры для элементарных  частиц.

Изображение двух типов двумерных магнитных вихрей – скирмионов: (а) скирмион типа «еж», (b) спиралевидный скирмион. Стрелками показаны спины атомов. (en.wikipedia.org)

Периодическая вихревая структура из скирмионов в моносилициде марганца MnSi. (рис. из статьи Y. Nii et al. Uniaxial stress control of skyrmion phase. Nature Communications)

Типы магнитной структуры MnSi в зависимости от напряженности магнитного поля В, температуры Т и ориентации кристалла. Красным цветом показана область отдельных скирмионов, розовым – область их единой структуры.

Магнитные вихревые структуры обладают так называемой топологической устойчивостью. Она заключается в том, что возмущения могут изменить направления спинов, но не могут изменить закрученности. Благодаря топологической устойчивости скирмионы теоретически можно использовать для хранения двоичной информации, полагая за нуль и единицу существование или отсутствие скирмиона. Поскольку размеры таких вихрей могут составлять единицы нанометров, это сулит значительное возрастание плотности хранения информации. Скирмионы подошли бы и для  создания логических устройств. Управлять скирмионами можно было бы с помощью электрического тока.

Традиционные магнитные домены (области одинакового направления намагниченности) столь маленького размера неспособны хранить информацию в течение длительного времени из-за спонтанного перемагничивания, которое происходит под воздействием соседних доменов или из-за флуктуаций. 

Свойства скирмионов пока еще плохо изучены. Физики из МФТИ и Института общей физики им. А.М. Прохорова исследовали поведение совокупности скирмионов  в моносилициде марганца MnSi. Внешнее магнитное поле создает в нем структуру из периодически расположенных вихрей, напоминающую пчелиные соты с ячейками размером около 18 нм (10^-9 м). Для практического использования такой структуры необходимо знать, существуют ли скирмионы независимо друг от друга, или образуют единую структуру, которую нельзя разбить на отдельные вихри.  

Оказалось, что внутреннюю структуру вещества можно определить, если  измерять с очень высокой точностью сопротивление материала в зависимости от температуры и направления магнитного поля.  Благодаря таким измерениям выяснилось, что в определенных диапазонах температур и магнитных полей  у MnSi существуют скирмионные решетки двух типов, разной физической природы.  Скирмионная решетка одного типа образуется в результате конденсации индивидуальных магнитных вихрей, а решетка другого типа соответствует сложной магнитной фазе, которая не может распадаться на отдельные скирмионы. Причем между фазами выявлена четкая граница. Результаты исследования опубликованы в журнале  Scientific Reports.

На сегодняшний день говорить о перспективах этого направления исследований,  которое принято относить к спинтронике, сложно, поскольку  скирмионы как правило наблюдаются при очень низких температурах. Прежде всего, надо найти материалы, способные работать при более высоких, лучше всего при комнатных, температурах. Кроме того, физики пока не умеют надежно создавать скирмионы и управлять ими.

По материалам МФТИ