Физики научились записывать информацию в магнитные узлы

Ученые освоили закручивание и развязывание микроскопических магнитных узелков. Постепенные усовершенствования этой технологии в скором времени приведут к созданию электронных устройств с большим объемом памяти. В статье в журнале Science, физики описывают свой эксперимент: исследователям удалось создать скирмионы на тонкой магнитной пленке из палладия и железа, расположенной на кристалле иридия.

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 еще со школьной скамьи известны удивительные свойства так называемой ленты Мебиуса: 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 ученых, поскольку с ее помощью можно создавать наиболее совершенные носители информации. Обычные магнитные запоминающие устройства, такие как жесткий 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 нулем? Существование скирмионов было предсказано в 1960-х годах, позднее их поймали в магнитных материалах. Однако ученым 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 ее коллеги описывают свой эксперимент. Исследователям удалось создать скирмионы на тонкой магнитной пленке 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 пленке слабый заряд из электронов с определенным 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 жесткие диски. Но до практического применения пока еще далеко: за раз фон Бергман и ее 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 все 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. !zn