Международная группа ученых из Швеции, Германии и Китая впервые зафиксировала в природном образце квазичастицы, известные как трехмерные магнитные хопфионы, существование которых было предсказано много лет назад. Данное открытие может значительно ускорить развитие спинтроники и предоставить устройствам, основанным на ней, функциональные возможности, недоступные современной электронике.
В науке существует направление, которое изучает особый вид электроники, в которой для передачи, получения и обработки информации используется не сам электрон, а его спин — свойство, связанное с направлением момента импульса. В этой области, вместо заряда электрона, ключевым фактором является ориентация его спина. Это направление исследований называется спинтроникой. В числе приоритетных направлений ее деятельности – разработка спинтронных материалов, которые позволят создавать компактные устройства с высокой производительностью и минимальным потреблением энергии. Это обусловлено тем, что развитие традиционной электроники достигло физических пределов, и ее дальнейшее ускорение значительно затруднено.
В последние годы магнитные явления стали важным направлением исследований в области спинтроники скирмион. Скирмион — это квазичастица, представляющая собой топологически защищенный магнитный вихрь. Открытие сквермиона произошло более десяти лет назад в тонких пленках магнитных материалов, и оказалось, что он обладает крайне плоской, двумерной структурой».
В дальнейшем серии экспериментов подтвердили, что двумерные скирмионы способны создавать трехмерный магнитный вихрь, а также другие квазичастицы, известные как хопфионы. Эти хопфионы структурно схожи со скрученными струнами, имеющими форму тора.
Что делает хопфионы такими привлекательными? Физики считают, что, в отличие от скирмионов, существующих в двух измерениях, хопфионы, обладающие трехмерной структурой, не испытывают дрейфа при перемещении внутри наноустройств. Это делает их более стабильными квазичастицами, что делает их более подходящими для передачи информации.
Ученым долго не представлялось возможности экспериментально доказать наличие магнитных хопфионов в естественной среде. Эти квазичастицы были зафиксированы исключительно в материалах, созданных искусственным путем).
Физикам международной команды удалось получить подтверждение этому. Впервые ученые наблюдали их в наномасштабе, используя кристаллы тонких пластин FeGe (материалы на основе железа и германия, подобные B20, демонстрируют стабильное состояние. Выявление и регистрация квазичастиц стали возможными благодаря просвечивающей электронной микроскопии и голографии. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
«В отличие от скирмионов, хопфионы имеют дополнительную степень свободы, обусловленную их трехмерной структурой. Это позволяет им перемещаться в трех измерениях, а не в двух. Безусловно, многие важные характеристики этой квазичастицы предстоит выяснить, и пока сложно прогнозировать возможности использования хопфионов в спинтронике», — объяснил Одним из авторов исследования является Филипп Рыбаков, сотрудник Уппсальского университета (Швеция.
Полученные учеными данные расширяют перспективы для исследований в области экспериментальной физики. В частности, теперь упростится идентификация кристаллов, содержащих хопфионы в устойчивом состоянии, и станет возможным изучение взаимодействия этих квазичастиц с электрическим током и током спинов электронов.