В МФТИ научились выслеживать магнитные вихри

Исследователи из МФТИ с помощью сверхточного измерения сопротивления кристалла моносилицида марганца (MnSi) выяснили, как именно организованы в нём магнитные микровихри (скирмионы). Соответствующая работа, опубликованная в журнале Scientific Reports, имеет существенное значение для развития спинтроники, важного раздела квантовой электроники.

Спинтроника работает со спин-поляризованными электронами, в то время как обычная электроника — с неполяризованными. Спин предельно упрощённо можно представить как «вращение» электрона. За счёт использования спина, не задействованного в обычной электронике, в спинтронных устройствах можно записать больше битов информации с помощью того же количества частиц, да ещё и потратить на операции с ними намного меньше энергии.

Поэтому спинтронное устройство, заменяющее сходное электронное, будет занимать меньше места и значительно меньше греться. Потенциально это позволяет дополнительно поднять его тактовую частоту без перегрева. Работы по созданию спинтронных устройств сегодня ведутся по всему миру, они рассматриваются многими экспертами как единственное средство преодоления постепенного замедления в росте производительности бытовой электроники. Однако этот процесс задерживается из-за того, что разработчики недостаточно знают о необычных свойствах спинтронных материалов. Особенно это касается наиболее перспективного для создания спинтронных устройств соединения — моносилицида марганца.

В рамках новой работы российские учёные измерили удельное электрическое сопротивление монокристалла силицида марганца (MnSi) под разными углами и с очень высокой точностью (до миллиардной Ом*см). Особый интерес при этом представляло поведение магнитных вихрей (скирмионов — см. на картинке ниже) в таком материале (именно они используются в спинтронике для записи и считывания информации). За счёт высокой точности измерений исследователям удалось достоверно выяснить, что удельное сопротивление MnSi не зависит от направления действующего на него внешнего магнитного поля.

На рисунке можно увидеть, что намагниченность увеличивается от краёв (синий цвет) к центру (красный цвет), где достигает максимума. При этом на кристалле моносилицида марганца может быть множество отдельных скирмионов, как на правой части рисунка.

Изучив распределение рассеивания электронов на образце моносилицида марганца, удалось понять, что сопротивление монокристалла этого материала сильно неоднородно. Одна из осей кристалла MnSi имела одинаковое сопротивление по всем направлениям (изотропное). Однако эта зона была окружена чем-то вроде кармана, в котором сопротивление по различным направлениям было неэквивалентно (анизотропное).

Согласно результатам исследования МФТИ, области с одинаковым удельным сопротивлениям в спинтронных материалах заполнены одиночными магнитными вихрями — так называемыми скирмионами. А там, где удельное сопротивление резко отличается в зависимости от направления, материал насыщен чем-то вроде сгустка таких вихрей-скирмионов. В «сгустке» вихри взаимодействуют столь интенсивно, что лишены «индивидуальности» и фактически являются единым целым.

Такой вывод имеет большое практическое значение. Для спинтроники куда интереснее материалы с одиночными магнитными вихрями (скирмионами), ведь их размеры меньше, а их свойствами и поведением проще управлять. Из-за этого одиночные скирмионы можно использовать для передачи и хранения информации в спинтронной памяти и проведения различных логических операций в спинтронных процессорах. Понимание того, что в моносилициде марганца могут существовать одиночные скирмионы, существенно продвигает вперёд работы по перспективным спинтронным устройствам.