Экспериментальное открытие скирмионного эффекта Холла поможет в создании новых устройств магнитной памяти.

Атомы магнитного материала благодаря собственному магнитному моменту (спину) сами ведут себя как микроскопические магниты. В определенных случаях при намагничивании спины атомов выстраиваются в виде сложной структуры, словно закрученной водоворотом, которая получила название магнитный вихрь или скирмион.

Структура скирмиона. Стрелками показаны направления спинов (Иллюстрация: Benjamin Krüger / IGU.)

Неподвижный и движущийся скирмион. (Иллюстрация: ДФУ.)

Трековая память. Синими и оранжевыми полосками показаны биты, перемещающиеся по дорожке.

Такой вихрь обладает так называемой топологической устойчивостью, сохраняя закрученность спинов. Это важнейшее свойство позволяет использовать скирмионы для хранения двоичной информации, полагая за нуль и единицу наличие и отсутствие вихря.

В обычных жестких дисках для хранения данных используют просто разное направление намагниченности небольших областей – магнитных доменов. Минимальный физический размер доменов, определяющий емкость памяти, уже достиг 100 нанометров, но если уменьшать их дальше, магнитные домены станут неустойчивыми, начнут спонтанно перемагничиваться и терять информацию.

Скирмионы – более стабильные структуры, размер которых может составлять всего несколько нанометров. Поэтому на их основе можно было бы создать устройства хранения данных со значительно более высокой плотностью. «Скирмионная» память, кроме того, будет быстрой, надежной, дешевой, экономичной и энергонезависимой, то есть сохраняющей информацию даже при выключении питания.

Электрический ток сдвигает скирмионы вдоль магнитной дорожки, что позволяет использовать их в так называемой трековой памяти («памяти на беговой дорожке», Racetrack Memory), в которой мимо неподвижных читающих и записывающих головок по неподвижной магнитной дорожке движутся магнитные биты.

Однако скирмионы смещаются не только в направлении тока, но и перпендикулярно к нему – это явление получило название эффекта Холла; поскольку эффект Холла – общее название для нескольких явлений такого рода (есть спиновой эффект Холла, квантовый эффект Холла и т. д.), в данном случае следует говорить о скирмионном эффекте Холла. Благодаря поперечному смещению движение скирмионов происходит под постоянным углом к направлению тока, пока они не начинают отталкиваться от края дорожки, после чего сохраняют постоянное расстояние до него.

Теоретические расчёты, описывающие скирмионный эффект Холла, указывают на определённый угол движения скирмионов, который должен зависеть только от их статических свойств, таких, как диаметр. Однако, как показали исследователи из Германии, США, Японии и российского Дальневосточного федерального, скирмионы в действительности движутся под гораздо большим углом (более 30 градусов) относительно приложенного тока, чем предсказывалось первоначальной теорией.

Кроме того, этот угол сильно зависит не только статических свойств скирмионов, но и от их скорости. Поскольку такое поведение нельзя объяснить в рамках стандартных теоретических объяснений, авторам работы пришлось разработать для эффекта Холла новую качественную модель и заодно продемонстрировать, как можно управлять углом движения магнитных вихрей. Результаты исследований опубликованы в Nature Physics.

По материалам Дальневосточного федерального университета и Университета Иоганна Гуттенберга.