Ученые из Швеции, Германии и Китая смогли наблюдать в естественном материале предсказанные десятилетия назад квазичастицы — трехмерные магнитные хопфионы. Это открытие способно резко продвинуть спинтронику, дав устройствам на ее основе возможности, отсутствующие у современной электроники.
В науке есть область, которая занимается исследованиями особого вида электроники, где для передачи, получения и обработки данных используется не столько сам электрон, сколько его спин. Говоря проще, важен не заряд электрона, а направление его спина — собственного момента импульса. Эта область называется спинтроникой. Одна из ее главных задач — производство спинтронных материалов, с помощью которых можно будет создавать миниатюрные устройства с высокой скоростью работы и низким энергопотреблением. Последнее особенно важно, потому что традиционная электроника уперлась в физические ограничения и дальнейший рост ее скорости резко замедлился.
В последние годы важным предметом исследования спинтроники был магнитный скирмион. Это квазичастица, которая, по сути, представляет собой топологически устойчивый магнитный вихрь. Скирмион открыли больше 10 лет назад в тонких слоях магнитных материалов, он оказался исключительно плоской двумерной «структурой».
Чуть позже исследователи в серии экспериментов доказали, что двумерные скирмионы могут «порождать» трехмерный магнитный вихрь, другие квазичастицы — хопфионы. Они чем-то напоминают скрученные струны в форме пончика.
Чем же так «притягательны» хопфионы? Физики предполагают, что, в отличие от «двумерных» скирмионов, «трехмерные» хопфионы при движении не дрейфуют внутри наноустройства. Это значит, что последние квазичастицы более стабильны и потому лучше подходят для переноса данных.
Долгое время исследователям не удавалось экспериментально подтвердить, что магнитные хопфионы действительно существуют в природе. Эти квазичастицы наблюдали только в синтетических материалах (искусственно созданных человеком).
Международной команде физиков, наконец, удалось это доказать. Ученые впервые увидели их в наномасштабе в кристаллах тонких пластин FeGe (из железа и германия) типа B20, причем в стабильном состоянии. Разглядеть и зарегистрировать квазичастицы помогли просвечивающая электронная микроскопия и голография. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Микрофотография кольца хопфиона на пластине FeGe толщиной 180 нанометров, сделанная с помощью просвечивающей электронной микроскопии Лоренца«По сравнению со скирмионами хопфионы обладают дополнительной степенью свободы благодаря своей трехмерности и таким образом могут перемещаться в трех, а не в двух измерениях. Конечно, многие из интереснейших свойств этой квазичастицы еще предстоит открыть, и пока трудно делать какие-либо прогнозы о применении хопфионов в спинтронике», — объяснил Филипп Рыбаков из Уппсальского университета (Швеция), один из авторов исследования.
Ученые пояснили, что их результаты открывают новые возможности в экспериментальной физике. Например, теперь будет легче выявлять кристаллы, в которых хопфионы находятся в стабильном состоянии, а также изучать то, как эти квазичастицы взаимодействуют с электрическим током и током спинов электронов.