Завязывать узелки, чтобы не забыть о важных делах, — очень давний способ запоминания. Но, как ни странно, в современной физике он также применим: учёные освоили закручивание и развязывание микроскопических магнитных узелков. Постепенные усовершенствования этой технологии в скором времени приведут к созданию электронных устройств с большим объёмом памяти.
Скирмионы — это маленькие вихри, создаваемые несколькими атомами, каждый из которых благодаря спину работает как маленький магнит . Спин есть собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.
Действие внешнего магнитного поля, как правило, приводит к выравниванию атомов-магнитов в одном направлении, но в случае со скирмионами вектор намагниченности атомов образует микроскопический вихрь.
При этом "завитки" не могут распуститься, поскольку любые магнитные возмущения повлияют лишь на расположение атомных спинов, но скирмионы останутся закрученными в любом случае. Это свойство называется топологической устойчивостью и проявляется не только на атомном уровне.
Многим ещё со школьной скамьи известны удивительные свойства так называемой ленты Мёбиуса: если начать чертить линию по одной из сторон этой конструкции, то на другую сторону можно перейти, не отрывая карандаша. Это возможно благодаря особой конструкции — лента закручена лишь наполовину.
"Топологическая устойчивость всегда интересовала учёных, поскольку с её помощью можно создавать наиболее совершенные носители информации. Обычные магнитные запоминающие устройства, такие как жёсткий диск, хранят информацию в виде цифровых битов, принимающих значения "0" или "1". Эти состояния на физическом уровне определяются намагниченностью отдельных атомов. Например, северный магнитный полюс может смотреть либо вверх, либо вниз. Но если атомы упаковать слишком плотно, либо перегреть всю поверхность, то магнитное поле может дестабилизироваться", — рассказывает соавтор исследования Кристен фон Бергман (Kristen von Bergmann) из Гамбургского университета.
Скирмионы способны обеспечить стабильность даже при очень плотном расположении атомов и высоких температурах. Магнитные узелки можно считывать в значении "0" или "1" в зависимости от их наличия или отсутствия.
Тут, правда, возникает другая проблема: как "развязать" скирмион, чтобы он стал нулём? Существование скирмионов было предсказано в 1960-х годах, позднее их поймали в магнитных материалах. Однако учёным ранее не удавалось по желанию и при помощи магнитного поля создать и разрушить такие вихри.
В своей статье, которая недавно вышла в журнале Science, фон Бергман и её коллеги описывают свой эксперимент. Исследователям удалось создать скирмионы на тонкой магнитной плёнке из палладия и железа, расположенной на кристалле иридия.
Для начала они взяли образец, где атомы-магниты были выстроены стандартным образом. Затем они использовали иглу сканирующего туннельного микроскопа и передали магнитной плёнке слабый заряд из электронов с определённым образом поляризованными спинами. Поляризованный заряд вступил во взаимодействие с атомами-магнитами и закрутил их в узелки-скирмионы.
"Каждый узелок состоял из 300 атомов и был всего несколько нанометров в диаметре", — говорит фон Бергман.
По словам авторов работы, скирмионное устройство способно хранить в 20 раз больше информации на единицу площади поверхности, чем современные жёсткие диски. Но до практического применения пока ещё далеко: за раз фон Бергман и её команде удалось создать и удалить всего четыре скирмиона, к тому же применяемая технология работала лишь в 60% случаев. Это очень слабые результаты, особенно если учесть, что контролировать "узелки" удавалось лишь при температуре 4,2 Кельвина (-231 градус по Цельсию).
И всё же данное исследование является первым экспериментальным доказательством того, что закручивания скирмионов можно контролировать. Осталось разобраться, как это происходит. Исследователи надеются продолжить свои эксперименты и фундаментальные работы уже в скором времени.
Также по теме:
Физики научились завязывать воду в узлы
Учёные научились включать и выключать магнитное поле графена
Физики поймали рекордное переключение электричества
Американские инженеры создали фотонный транзистор
Учёные создали прозрачный динамик из листа графена
Создано самое маленькое в мире запоминающее устройство
