Американские и чилийские физики собрали из наномагнитов структуры, соответствующие квадратному спиновому льду различной формы, и исследовали, как начальное энергетическое состояние системы перешло в основное. В итоге ученые обнаружили, что фигура вида «рыбка» срелаксировала чаще, чем «разрезанная рыбка» и «ириска», из-за наличия одной встроенной петли. Наблюдения физиков помогут в разработке спинтронных устройств, работающих вблизи предела Ландауэра. Результаты опубликованы в Physical Review Applied.
Если какой-нибудь магнитный материал (например, титанат диспрозия) охладить до температуры, близкой к абсолютному нулю, а затем дать атомам самоорганизоваться в устойчивую структуру, то последняя окажется подозрительно похожей на обычный водяной лед. Только места протонов, попарно обращенных в сторону атомов кислорода, займут магнитные моменты, часть которых будет смотреть внутрь кристаллической решетки, а часть — наружу. Такое состояние вещества физики прозвали спиновым льдом.
Энергетический путь, по которому спиновый лед переходит в основное состояние представляет собой серию из отдельных переориентаций магнитных моментов, которые претерпевает система. Другими словами, процесс релаксации в низкоэнергетическое состояние напрямую зависит как от начальной ориентации каждого отдельного атома, так и от их общей конфигурации. Изучение таких энергетических переходов спинового льда интересует физиков не только с фундаментальной точки зрения, но и с практической — для разработки спинтронных устройств.
Хану Арава (Hanu Arava) из Аргоннской национальной лаборатории совместно с коллегами из США и Чили изучил релаксацию спинового льда различных начальных конфигураций. За основу физики взяли структуру так называемого квадратного спинового льда, которая состояла из четырех наномагнитов. Подобный квадрат можно составить на основе двух базовых фигур — креста или петли: в первом случае наномагниты соединены концами в одной точке (центре квадрата), а во втором — лежат по периметру этого квадрата.
Затем авторы работы составили несколько комбинаций из креста и петли, которые условно разделили на три класса, чтобы предсказать, будет ли энергетический переход монотонным или прерывистым. Первый ученые назвали встроенной структурой, особенность которой состояла в том, что два наномагнита принадлежали одновременно и кресту, и петле. Второй класс получил название связанного: в нем крест и петля соединились через конец одного из магнитных диполей. Третий же оказался одновременно и встроенным, и связанным. Затем физики изготовили предложенные комбинации из пермаллоя методом электронно-лучевой литографии, а исход релаксационного процесса зафиксировали с помощью магнитно-силовой микроскопии.
В итоге структура под названием «рыбка» достигла основного состояния в 72 процентах случаев, а для «разрезанной рыбки» и «ириски» этот показатель оказался равным 50 и 52 процента соответственно. Такой результат исследователи объяснили тем, что обычная «рыбка» обладала встроенной структурой, а ее «разрезанная» разновидность принадлежала классу связанных фигур. При этом «ириска» прошла энергетический путь, аналогичный таковому у «рыбки», однако наличие второй вложенной вершины привело к образованию второго намагниченного состояния, которое увеличило общую энергию системы.
Аналогичным образом физики объяснили различия в релаксации и других фигур: антенны, H-структуры и трехконечного креста. Исследователи также обнаружили, что в любой структуре первым срелаксировала встроенная или соединенная петля, за которой последовала переориентация магнитных моментов в оставшихся наномагнитах. Наблюдаемые результаты ученые подтвердили с помощью модели динамической релаксации на основе температурной активации, которую в свою очередь описали уравнением Аррениуса.
Авторы работы отметили, что исследованные ими конфигурации и их пути релаксации до основного состояния будут полезными для устройств спинтроники, которые могут работать как в детерминированном, так и в вероятностном режимах вблизи предела Ландауэра.