Новый тип магнитной структуры и альтернативная концепция магнитной твердотельной памяти

 © Ф.Н. Рыбаков, А.Б. Борисов 

Благодаря собственному магнитному моменту электрона – спину, атомы магнитного материала ведут себя как маленькие магнитики. При намагничивании спины атомов выстраиваются в одном направлении, и вещество превращается в магнит. Но в 2009 году физики обнаружили, что в некоторых магнитах спины атомов выстраиваются в виде сложной структуры, словно закрученную водоворотом вихревую нить, которая получила название магнитный вихрь или скирмион. Скирмионы – стабильные структуры, размер которых может составлять всего несколько нанометров. Поэтому на их основе можно было бы создать устройства хранения данных со значительно более высокой плотностью. В последние годы предложены новые устройства твердотельной магнитной памяти без подвижных механических частей. Электрический ток сдвигает скирмионы вдоль магнитной дорожки, что позволяет использовать их в так называемой трековой памяти («памяти на беговой дорожке», Racetrack Memory), в которой мимо неподвижных читающих и записывающих головок по неподвижной магнитной дорожке движутся магнитные биты. При этом роль носителей информации играют 1) магнитные доменные стенки в нанопроволоках – узкие переходные слои между областями c противоположными направлениями намагниченности, либо 2) скирмионы в магнитной наноленте, которые можно перемещаться токами, на несколько порядков ниже необходимых для передвижения доменных стенок.

В 2015 году международная группа ученых из ИФМ Уральского отделения РАН и Peter Grünberg Institut and Institute for Advanced Simulation (Германия) предсказала новый тип частицеподобного состояния в магнетиках, которому авторы статьи дали название киральный боббер (КБ). Такая квазичастица в широком диапазоне параметров оказывается более компактной, чем киральный магнитный скирмион, и является энергетически более выгодной. КБ представляет собой трехмерную локализованную магнитную вихревую структуру с конечной энергией со свободными концами и магнитной особенности типа «ежа» на одном из концов. В отличие от известных ранее магнитных локализованных структур: доменных границ, спиралей, скирмионов, вихрей, термодинамически стабильный КБ формируется на границе раздела фаз или на поверхностях магнетиков. В 2018 году международная группа экспериментаторов из Китая, Швеции, Германии в сотрудничестве с указанной выше группой теоретиков экспериментально обнаружила киральный боббер в тонких пластинах гелимагнетика FeGe с помощью внеосевой электронной голографии. На основе этих результатов авторами открытия была предложена альтеративная концепция магнитной твердотельной памяти на основе кодирования потока данных в нанополоске. Полоска имеет форму замкнутой дорожки и содержит цепь чередующихся магнитных скирмионов и киральный бобберов, которые играют роль битов «1» и «0». Действия записи, чтения и удаления информации выполняются на разных участках направляющей дорожки.

Результаты опубликованы в престижных международных журналах Phys. Rev. Letters и Nature Nanotechnology.

Рис 1. Альтеративная концепция для магнитной твердотельной памяти на основе кодирования потока данных в нанополоске, которая принимает форму замкнутой дорожки, содержащей цепь из чередующихся магнитных скирмионов (КС) и киральный бобберов (КБ), которые соответствуют «1» и «0» битов . Действия записи, чтения и стирания элементов выполняются на различных позициях вдоль направляющей дорожки. Спиновые структуры для КС и КБ схематически представлены соответствующими изоповерхностями.

Краткая формула