Ровно десять лет назад, в 2007 году Нобелевская премия по физике была вручена ученым Петеру Грюнбергу и Альберу Ферту. В 1988 году они открыли гигантский магниторезистивный эффект (GMR-эффект), или гигантское магнитосопротивление (ГМС), положившее начало спинтронике (технологии хранения и обработки данных, в которой информация кодируется в ориентации спина — внутреннего момента вращения электрона).
Технологии, основу которых заложили работы Грюнберга и Ферта, в настоящее время широко применяются в компьютерной технике, их использование позволило значительно увеличить плотность информации на магнитных носителях. Использование GMR-эффекта помогает сделать считывающие головки жестких дисков очень чувствительными даже к небольшим вариациям магнитного поля, а именно, эти небольшие изменения кодируют данные на магнитном носителе. В самой экспериментальной физике открытие также широко используется: в современных лабораториях с его помощью получают спин-поляризованные электроны, спины которых ориентированы в одном направлении.
Вскоре выяснилось, что принципы, лежащие в основе спинтроники, могут быть распространены на все многообразие окружающих нас магнитных структур, что привело к появлению скирмионики, изучающей экзотические кольцевые магнитные образования под названием «скирмионы». Скирмион в последнее десятилетие привлек к себе особое внимание исследователей возможностью создавать с помощью этой квазичастицы компактные ячейки памяти. Крайне малый размер скирмионов (порядка 1-2 нанометров), малая энергозатратность, а также стабильность, достаточная для практического применения, может привести к созданию на их основе ультракомпактных запоминающих устройств.
Как скирмион спустя полвека заинтересовал ученых по всему миру
Стоит отметить, что история скирмионов началась еще в 1962 году. Отправной точкой стала работа британского исследователя Тони Скирма, который показал, что особый класс нелинейных моделей в квантовой теории поля допускает решение в форме локализованных возбуждений. В рамках этой концепции была предпринята попытка описать свойства протонов и нейтронов, однако значительный всплеск интереса к полученным тогда результатам возник лишь спустя несколько десятилетий с пионерской работы 1989 года советского физика Алексея Богданова, предсказавшего существование в магнетиках спиновых вихревых состояний-скирмионов.
«Он рассматривал определенный класс магнитных материалов, кристаллическая решетка которых не содержит центр инверсии, в результате чего возникает специфическое взаимодействие Дзялошинского-Мория. Оказалось, что конкуренция между взаимодействием Дзялошинского-Мория, которое является антисимметричным, и стандартным обменным взаимодействием Гейзенберга приводит к образованию скирмиона в ферромагнитных пленках, — объясняет Дмитрий Юдин, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО. — Таким образом, теория, разработанная в одной области физики, оказалось с успехом использована в другой».
В свою очередь, что такое скирмион? Это нетривиальная магнитная текстура, напоминающая вихреподобное состояние. Скирмион обладает загадочным свойством: магнитное возмущение может вызвать изменение атомного спина, но не отменит закручивания. Это свойство, называемое топологической устойчивостью, присуще геометрическим объектам вроде ленты Мебиуса, которая может быть получена путем объединения двух концов ленты после переворачивания одного из них. Такой полуповорот считается устойчивым, поскольку его можно поворачивать и он не развяжется, если только не разрезать ленту и не вернуть в исходную позицию.
Впервые скирмионы были получены в лаборатории с помощью микроскопии Лоренца в 2010 году. И с тех пор в этой области стали работать научные группы по всему миру.
«Почему эта область вызывает все больший интерес? Оказалось, что скирмион можно с успехом использовать в системах обработки и хранения информации. Так, например, величина порогового тока, необходимого, чтобы привести в движение доменную стенку в обычных ферромагнетиках, на несколько порядков больше той величины, которая требуется для скирмиона. Таким образом, мы вправе ожидать революционных изменений в области систем обработки и передачи информации с применением скирмионов», — продолжает Дмитрий Юдин.
Как известно, обычные магнитные носители, например, поверхность жесткого диска, несут информацию в виде цифровых битов, состояние которых обозначается как «0» или «1», в зависимости от намагниченности атомов. Но, когда они упакованы слишком плотно или перегреваются, эта намагниченность теряет свои свойства. Скирмион предлагает возможность хранить информацию стабильно, основываясь на том же принципе нуля и единицы, в зависимости от того, существует или отсутствует магнитный узел. Однако, чтобы продвинуться в работе дальше, ученым нужно найти способ управлять свойствами скирмионов.
Что сделали в Университете ИТМО
Физики из Университета ИТМО теоретически доказали, что свойствами скирмиона можно управлять с помощью внешнего источника излучения.
«В рамках нашего исследования мы с наиболее общих позиций микроскопической теории рассматриваем, как внешнее линейно поляризованное электромагнитное излучение влияет на свойства магнитных доменов в тонких ферромагнитных пленках с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Оказалось, что внешний источник излучения можно использовать как своего рода инструмент для того, чтобы контролировать свойства скирмиона, а именно его устойчивость, размер и форму. Мы предполагаем, что, предсказанные эффекты могут наблюдаться в магнитных пленках при использовании фемтосекундных лазерных импульсов. Мы также ожидаем, что результаты качественно верны при высоких температурах вплоть до комнатной, что делает возможным создание оптически управляемой системы скирмионов для возможного применения в устройствах беговой памяти», — комментирует Дмитрий Юдин, один из авторов исследования.
В будущем ученые намерены экспериментально верифицировать полученные результаты. Эту работу планируется сделать в том числе в сотрудничестве с зарубежными коллегами из Нидерландов — научной группой Университета Неймегена (Radboud Universiteit Nijmegen), а также их коллабораторами из ФТИ имени Иоффе, которые являются признанными экспертами в области магнитных систем. Как отмечает Дмитрий Юдин, в ходе экспериментов исследователи намерены подтвердить возможность управления скирмионами с помощью внешнего лазерного поля.
Вычисления на основе скирмионов — что можно ждать в будущем?
Сегодня к спинтронике и, в частности, к изучению скирмионов пристальный интерес проявляют такие гиганты полупроводниковой индустрии, как компании Intel и IBM. Например, в Intel этими направлениями занимается целое научно-исследовательское подразделение, находящееся в городе Хилсборо (штат Орегон, США).
Как объясняет Дмитрий Юдин, исследования в области скирмионики могут быть перспективны как для улучшения уже существующих устройств, так и для создания качественно новых платформ.
«Благодаря развитию этого направления в будущем можно предложить и иную платформу, например, вычисления на основе скирмионов. Как это можно себе представить? В рамках нашего недавнего исследования мы обосновали возможность создания мажоритарного элемента на скирмионах. Под такого рода системой обычно понимают переключатель по большинству: представим, что у нас есть нечетное число входных каналов, вдоль каждого из которых может распространяться сигнал (например, ‘0’ или ‘1’ в рамках двоичной логики), сходящихся в одной точке, где сигналы как-то взаимодействуют друг с другом. И есть выходной канал, где мы наблюдаем, что произошло в результате этого взаимодействия. Для мажоритарного элемента выходной сигнал совпадает с ‘1’, если большая часть (больше половины) входящих сигналов ‘1’, или с ‘0’ — в противном случае. Предложенный нами дизайн состоит из трех входных каналов. В рамках численного моделирования было продемонстрировано, что при наличии на входе 2 или 3 скирмионов, на выходе мы получаем скирмион. В противном случае, когда изначально в системе нет или 1 скирмион, скирмион в выходном канале не образуется, что полностью согласуется с определением мажоритарного элемента и может быть использовано для первых экспериментальных демонстраций логических операций на базе скирмионов», — рассказывает ученый.
Он добавляет, что в ближайшие 3—5 лет стоит ожидать появление устройств энергонезависимой памяти на основе скирмионов. Первые экспериментальные результаты, полученные в этой области, выглядят обнадеживающе. В будущем же развитие скирмионики может привести к созданию нового поколения процессорной техники.
