Прежде чем перейти к статье, хочу вам представить, экономическую онлайн игру Brave Knights, в которой вы можете играть и зарабатывать. Регистируйтесь, играйте и зарабатывайте!
Международная команда физиков изучила энергетическую структуру спирального антиферромагнетика GdRu2Si2. Были обнаружены новые особенности, что позволит улучшить приборы, использующие магнитную память. Работа опубликована в журнале Nanoscale Advances.
Ежегодно на планете создаются и собираются сотни петабайт данных, которые надо где-то хранить. Используемые сейчас устройства, например типов hdd и ssd, имеют недостатки в виде относительной хрупкости и ограниченности в возможности хранения данных. Одним из следующих этапов развития данной отрасли может служить переход к магнитным накопителям, использующим небольшие «вихри». Эти магнитные вихри, называемые скирмионами, образуются в некоторых веществах и могут иметь размер в миллиардные доли метра.
Как показывают исследования, скирмионы оказались чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям. Ещё одной их важной особенностью является то, что учёные могут контролировать их поведение, изменяя температуру или применяя электрический ток. Однако эта область остаётся ещё довольно слабо изученной, и необходимы исследования, направленные на улучшение понимания свойств и устройства таких веществ.
Сергей Еремеев, ведущий научный сотрудник ИФПМ СО РАН, поясняет: «Центросимметричный антиферромагнетик GdRu2Si2 хорошо известен с начала 1980-х годов. Недавно он вернулся в поле зрения исследовательских проектов с открытием квадратной магнитной решётки скирмиона без геометрически нарушенной симметрии. Эта фаза скирмиона появляется во внешнем магнитном поле 2–2,5 Тл при температуре ниже 20 К. Хотя магнитные свойства материала на протяжении многих лет изучались очень подробно, появление фазы скирмиона возобновило и активизировало дискуссии, особенно касающиеся особенностей появления скирмионов».
Задачей учёных было исследование свойств этого материала и предсказание возможных кандидатов, которые могли бы обнаружить необычные свойства магнитных скирмионов, а также получение подробной информации о поверхностных и объёмных электронных структурах и, самое главное, о том, как электронная структура модифицируется при изменении температуры.
Были выращены монокристаллы GdRu2Si2 высокой чистоты и структурного качества. Образцы скалывали в сверхвысоком вакууме и проводили исследование их электронной энергетической структуры при различных температурах с помощью фотоэлектронной спектроскопии. Использование синхротронного излучения позволило получить данные высокого качества. Экспериментальные результаты сопоставлялись с расчётами электронной структуры, выполненными в рамках теории функционала плотности.
Таким образом, авторы исследовали объёмную и поверхностную электронную структуру материала GdRu2Si2. Хорошее согласие экспериментальных и теоретических результатов позволило детально охарактеризовать свойства и орбитальный состав поверхности Ферми GdRu2Si2. Удалось выяснить, что лежащая в основе образования решётки скирмионов спиральная магнитная структура материала обусловлена особенной геометрией поверхности Ферми. В частности, главную роль играют участки поверхности Ферми, отмеченные красной стрелкой на рисунке 1c. Именно они отвечают за необычное магнитное взаимодействие, приводящее к образованию магнитных вихрей. Хотя в GdRu2Si2 фаза скирмионов возникает при довольно низкой температуре, глубокое понимание лежащей в основе физики скирмионов в центросимметричных системах может помочь предсказать новые материалы, в которых скирмионы наноразмера могут появиться при существенно более высокой температуре, а возможно, даже при комнатной.
Василий Столяров, директор Центра перспективных методов мезофизики и нанотехнологий МФТИ, добавляет: «Недавно в этом материале была обнаружена квадратная решётка скирмионов. Решётка имеет период 1,9 нм и наименьший размер скирмионов, наблюдаемый на сегодняшний день. Таким образом, материал является привлекательным для разработки устройств магнитной памяти нового поколения с высокой плотностью записи и низким энергопотреблением. В дальнейшем мы планируем применить сканирующую туннельную микроскопию со спиновым разрешением, развитую у нас в центре, для визуализации магнитной текстуры поверхности в прямом пространстве».
Работу провела международная команда учёных из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), СПбГУ, МФТИ, МИСиС, ВНИИА им. Н. Л. Духова, из Германии: Технического университета Дрездена, Франкфуртского университета им. Гёте — и Испании: Университета Страны Басков, Центра физики материалов г. Сан-Себастьян, Международного физического центра Доностии, Фонда Икербаск, а также Университета имени Иоганна Кеплера (Австрия) и Технического университета Чалмерс (Швеция).
