Следить за «поплавком» на поверхности магнетика

Уральские физики в сотрудничестве с зарубежными коллегами наблюдали  за киральными бобберами в тонких пленках  гелимагнетика  FeGe типа B20. Этот новый тип  частицеподобных объектов, который  прежде был  теоретически предсказан российскими и немецкими учеными,  может стать альтернативным устройством твёрдотельной  магнитной памяти.

В основе оптической  и  электронной  технологии хранения информации лежит  использование и управление   так называемыми метастабильными  состояниями. Например,  носителем  такого состояния  может выступать киральный магнитный скирмион (магнитный вихрь), который  представляет интерес для технологических приложений и фундаментальной науки.

Российские  исследователи   с помощью микромоделирования и численных расчетов  открыли   новый тип частицеподобного состояния  в киральных магнетиках, которому присуще  уникальное свойство. Специалистами терминологически это обозначено как киральный боббер (поплавок) ввиду того, что  он образует вихри, или закрутки определённой киральности и  находится на поверхности образца.

Экспериментальные наблюдения в тонких пленках  гелимагнетика  FeGe типа B20 подтвердили  догадку учёных  о том, что такой  боббер   действительно формируется в присутствии спин-орбитального  взаимодействия Дзялошинского-Мориа.

Что же такое киральные бобберы, как они образуются  и  почему работа  по  их изучению важна  для пополнения  академического знания и развития информационных технологий (например, в твердотельных запоминающих устройствах)?

На эти вопросы подробно ответили  авторы  научной идеи  Александр Борисович Борисов – член-корреспондент РАН, доктор физ.-мат. наук, профессор, руководитель научного направления  Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург) и Филипп Николаевич Рыбаков –  научный сотрудник, аспирант Департамента физики Королевского технологического института (г. Стокгольм, Швеция) и лаборатории теории нелинейных явлений Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН (ИФМ УрО РАН) (г. Екатеринбург),  Уральского  федерального  университета (г. Екатеринбург).

«Благодаря собственному магнитному моменту электрона – спину, атомы магнитного материала ведут себя как маленькие магнитики. В присутствии внешнего магнитного поля спины атомов выстраиваются в одном направлении, и вещество превращается в магнит. В некоторых магнитных средах спины атомов выстраиваются в виде сложных локализованных структур. Известными и хорошо изученными такими структурами являются доменные границы, спирали, магнитные вихри и  скирмионы, –    объясняет член-корреспондент РАН Александр Борисов – Доменные границы  представляют локализованный слой  внутри магнитоупорядоченного вещества, который разделяет смежные области с противоположными направлениями магнитного  момента. Внутри этого слоя происходит поворот вектора магнитного момента от его направления в одном домене к направлению в соседнем домене. Незамкнутая спиновая полоса закрученная вокруг некоторого центра образует спиральную спиновую структуру. В 1989 году теоретически было предсказано, что в некоторых магнитных соединениях спины атомов могут выстраиваться в виде сложной структуры, словно  в закрученную водоворотом вихревую нить, которая получила название магнитный вихрь или скирмион. Эти текстуры  образуются   в магнитных кристаллах без центра инверсии (киральные ферромагнетики)».

«Публикация первых результатов по прямому наблюдению магнитных скирмионов в 2010 году породила настоящую и все еще нарастающую волну теоретических и экспериментальных работ в этой области. Термин “скирмион” связан с именем физика Тони Скирма, который в 1960-х предложил эффективную модель для описания ряда свойств атомных ядер.  Примером оригинальных (“ядерных”) скирмионов являются очень хорошо нам известные объекты – протон, ядро атома гелия, лития и т.д.  В модели Скирма такие частицы появляются как устойчивые решения соответствующих нелинейных уравнений и принято называть их частицеподобными решениями или солитонами. 

–  популярно разъяснил коллега и соавтор по исследованию Филипп Рыбаков и далее рассказал – 

Похожая ситуация, как оказалось, может возникнуть и в мире магнитных доменов, если в материале возникает определенный баланс стабилизирующих взаимодействий. Например,  в   пленке железо-германиевого сплава (FeGe) с атомной структурой типа B20 на фоне однородной намагниченности может наблюдаться небольшой островок,  порядка 50 нанометров в диаметре, с сильно неоднородной магнитной структурой, который ведет себя подобно частице  – то есть покоится, либо находится в движении, может взаимодействовать с такими же скирмионами и т.п. При этом никакого механического движения конечно не происходит, но магнитные моменты атомов меняют направления, а наблюдатель с помощью электронного микроскопа способен увидеть  частицеподобный  объект на масштабах существенно превышающих межатомные расстояния».

По словам  Александра Борисова, повышенный интерес к скирмионам  «связан с их необычными спин-электронными свойствами, такими как,  движение под действием электрических токов малой плотности, скирмионный эффект Холла, необычные спин-волновые свойства.  Скирмионы – 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.  Численное моделирование, выполненное нами, показало, в отличие от первоначальных теоретических предсказаний, что структура скирмионов  неоднородна по толщине пленки. Это позволило открыть физический  механизм стабильности  скирмионов в тонких магнитных пленках в магнетиках.

«Предсказанный нами  новый тип частицеподобного состояния в киральных магнетиках  – киральный боббер (КБ) в широком диапазоне параметров оказывается более компактным, чем киральный магнитный скирмион, и является энергетически более выгодным. КБ представляет трехмерно локализованный солитон нелинейных уравнений поля с конечной энергией, состоящий из гладкого векторного поля намагниченности и магнитной особенности типа "ежа". В отличие от известных ранее магнитных локализованных структур: доменных границ, спиралей, скирмионов, вихрей, стабильный КБ формируется на поверхностях киральных магнетиков», - сообщил  член-корреспондент РАН Борисов.

Однако, в отличие от магнитного скирмиона,  как уточняет  Филипп Рыбаков, «боббер не пронизывает подобно струне образец вдоль всей его толщины, а полностью локализован вблизи поверхности – подобно рыбацкому поплавку на поверхности воды (fishing bobber). Условно можно сказать, что боббер – это короткий отрезок скирмионной струны с магнитной сингулярностью в точке обрыва (на Рисунках 3 и 4).

Такие  наноразмерные вихревые структуры образуются  в присутствии магнитного поля и  далее происходит  конкуренция между обменным взаимодействием и взаимодействием Дзялошинского-Мория. Это  приводит к возникновению различных неколлинеарных или некомпланарных спиновых структур.

Как подчеркивает Рыбаков, «очень важно, что киральное взаимодействие  Дзялошинского-Мория в кубических кристаллах типа B20 изотропно, т.е. оно стремится модулировать магнитные текстуры во всех трех пространственных измерениях. Благодаря этому скирмионная струна неоднородна по толщине, а особенно это выражено для слоев в непосредственной близости от свободной поверхности. Можно сказать, что эти приповерхностные слои чрезвычайно выгодны энергетически, благодаря композиции трехмерных пространственных модуляций в их структуре. И даже если скирмионная струна по каким бы то ни было причинам разрывается внутри образца, то эти слои блокируют путь магнитной сингулярности наружу, и таким образом (среди прочих) может возникать бобер».

В совместной работе с коллегами из Германии и Китая российские специалисты  провели масштабные экспериментальные и численные исследования, данные которых  уже  обнародованы в   Nature Nanotechnology  (| VOL 13 | JUNE 2018 | 451–455 | ) и на сегодняшний день весьма  актуальны.  

Как отметил Филипп Рыбаков, эта работа была направлена «на выявление частицеподобных состояний, хоть и родственных скирмионам, но принципиально новых,  – киральных магнитных поплавков, то есть “бобберов”. В результате, такие объекты были найдены в пленках FeGe, показана их стабильность и исследованы некоторые свойства».

В экспериментальных работах по изучению уникальных возможностей  киральных бобберов, проведенных в  течение 2016  и 2017 годов, принимали участие специалисты ряда отечественных и зарубежных научных учреждений (Королевский технологический  институт (г. Стокгольм, Швеция),  Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН (г. Екатеринбург, Россия), Институт физики Китайской академии наук). Например, участник проекта Николай Киселев из Юлихского исследовательского центра (Германия) выполнил множество расчетов с учетом конкретики материала и геометрии образцов. Он координировал  работу со своими  коллегами, включая экспериментальную группу под руководством Рафаля Дунина-Борковского (Rafal E. Dunin-Borkowski) и  работу с экспериментальными группами из Китая (Haifeng Du  – Magnetic Field Laboratory, Hefei; Zi-An Li  – Institute of Physics, Beijing и другими).  Кроме того, Киселев активно сотрудничал с Фенгшаном Ченгом (Fengshan Zheng) из Юлихского исследовательского центра.

Российские физики Александр Борисов и  Филипп Рыбаков работали, применяя эффективную программу  собственной разработки – моделировали поведение бобберов и скирмионов в небольших образцах. Выстраивали их в цепочки, проверяли стабильность, исследовали межчастичные взаимодействия, обсуждали концепцию кодирования информации посредством такой цепочки.   

Итак, гипотетически рассчитанные возможности   существования киральных бобберов  были доказаны  экспериментальными наблюдениями  за тонкими пленками FeGe типа B20. «Теоретическое предсказание было сделано на основе базовой общепринятой модели кирального магнетика. Тем самым было показано, что такие частицеподобные состояния – довольно общее явление и должны наблюдаться в различных материалах. Когда же дело дошло до эксперимента, то потребовалась конкретика и разные количественные оценки. Пришлось проводить значительно более сложные расчеты. Например, для пленок FeGe оказалось важным учитывать влияние размагничивающих полей, которые в рамках простой базовой модели ранее не брались во внимание,

–  поделился  научными ожиданиями и трудностями   их воплощения на практике Филипп Рыбаков –

 В итоге нам удалось добиться даже количественного согласия теории с экспериментом, а рецепт зарождения боббера, столь необходимый нам для воспроизводимости экспериментов, был сперва найден в численных симуляциях, а затем воспроизведен в эксперименте». 

Как уточнил ученый, «тонкие пленки использовались лишь потому, что современные высокоточные методы измерений основаны на просвечивании, и просто не пригодны для массивных образцов. Согласно теории, бобберы возникают на поверхностях образцов с любой геометрией, в том числе – в сколь угодно больших».

При исследовании свойств бобберов проводилась оценка влияния магнитной анизотропии: «Расчеты показывают, что только сильные магнитные анизотропии могут препятствовать бобберам. Но такие ситуации не характерны для кубических киральных магнетиков. В частности, при моделировании образцов FeGe мы полагали кубическую анизотропию, равную нулю», – прокомментировал Рыбаков.

Наблюдения ученых за тонкими пленками  проходило  при помощи метода количественной внеосевой электронной голографии.  Рыбаков  пояснил, как   этот процесс происходит: «Магнитные моменты атомов кооперировано создают собственное магнитное поле внутри образца и спадающее при удалении  –  за его пределами. Для магнетиков напряженность таких полей существенна. Электроны, пролетающие сквозь образец на большой скорости, испытывают на себе действие силы Лоренца со стороны магнитного поля образца, отклоняющей их от прямолинейной траектории. Специальная система линз, расположенных за образцом позволяет получить контрастное изображение, несущее информацию о магнитных текстурах в образце на качественном уровне. Для более детального анализа используется внеосевая электронная голография».

 При этом важно, заметил физик,  что «электрон, пролетая сквозь образец, в некотором смысле накапливает информацию о потенциале магнитного поля вдоль проделанного пути, что непосредственно связано с известным эффектом  Эренберга-Сидая-Ааронова-Бома. Можно сказать, что фазовый сдвиг волновой функции электрона содержит интеграл от магнитного векторного потенциала вдоль пути частицы.  В случае внеосевой голографии, для электрона одновременно существует такая же возможность проследовать по иному, параллельному пути, полностью миновав образец. Измерение и обработка интерференционной картины от обоих пучков позволяет извлечь информацию о пространственном распределении сдвигов фаз в плоскости образца, перпендикулярной электронному лучу, и там самым получить изображение с количественной информацией, да и, как правило, с лучшим разрешением».

Как видно, диапазон потенциала киральных бобберов требует дополнительного изучения, поскольку может дать новое решение   для сохранения метастабильного состояния. В последние годы предложены новые устройства твердотельной магнитной памяти без подвижных механических частей. По словам члена-корреспондента РАН Борисова, «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. При этом роль носителей информации играют, во-первых,  магнитные доменные стенки в нанопроволоках – узкие переходные слои между областями c противоположными направлениями намагниченности, либо, во-вторых, скирмионы в магнитной наноленте, которые можно перемещать токами, на несколько порядков ниже необходимых для передвижения доменных стенок».

«Нами предложена альтернативная концепция магнитной твердотельной памяти на основе кодирования потока данных в нанополоске. Полоска имеет форму замкнутой дорожки и содержит цепь чередующихся магнитных скирмионов и киральных бобберов, которые играют роль битов «1» и «0». Действия записи, чтения и удаления информации выполняются на разных участках направляющей дорожки», – заявляет Александр Борисов

По мнению Филиппа Рыбакова,  «при хранении информации в простейшем случае используется бинарный принцип и физически необходимо воплотить устойчивую цепочку из двух разных сущностей, соответствующих нулю и единице. Допустим, скирмион может кодировать единицу. Прежде выдвигались концепции о том, что  отсутствие скирмиона в предполагаемом месте хранения бита информации может, соответственно, кодировать ноль. Таким образом, цепочка со скирмионами, расставленными по определенным позициям, может нести информацию. Серьезные проблемы в таком подходе вносит фактор температуры. Скирмионы весьма мобильны и будут совершать хаотические перемещения подобно броуновской частице. Смещение скирмиона, например,  в то место, где предполагается его отсутствие, приведет к полной потере информации. Именно эту проблему могут решить скирмион-бобберные цепочки. В широком диапазоне полей скирмионы и бобберы естественным образом  выстраиваются в очень устойчивые цепочки, где каждая частица автоматически удерживается на своем месте».

Каковы  же перспективы  применения бобберов для новых  магнитных твердотельных запоминающих устройств?

«В настоящий момент твердотельные запоминающие устройства на основе скирмионов не реализованы. До конца не выяснено, смогут ли такие устройства составить конкуренцию существующим технологиям хранения информации. Однако  разрабатываются и иные технологии, где скирмионы используются не для хранения информации, но для работы с ней. Речь идет о различных логических устройствах, стохастических вычислителях и прочих. Бобберы – это всегда дополнительная возможность и для такого рода устройств», – считает Филипп Рыбаков.