Учёные создали стабильные «мешки» из магнитных скирмионов для спинтроники

Рис. 1. Формирование «мешков» из скирмионов с помощью лазерных импульсов стало возможным благодаря проектированию анизотропного потенциала, символически изображённого на обложке журнала Advanced Materials в виде формы для кексов. После разработки «рецепта» текстуры можно легко «испечь». Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202501250

Группа исследователей из Института Макса Борна и других научных учреждений разработала надёжный метод создания сложных магнитных структур, известных как «мешки скирмионов», в тонких ферромагнитных плёнках. Эти структуры напоминают пончики и обладают топологически богатой спин-текстурой, превосходя по сложности широко изучаемые одиночные скирмионы.

Магнитные скирмионы — это нанометровые стабильные вихри намагниченности, перспективные для применения в спинтронике и хранении данных. Их простейшие формы, имеющие круговую структуру, где спины поворачиваются на 180° от внешней к внутренней части тонкой магнитной плёнки, уже хорошо изучены. В центре скирмиона спины направлены в противоположную сторону по сравнению с внешней областью.

Более сложные конфигурации включают так называемые «скирмиониумы», где спины совершают полный оборот на 360°, а в центре структуры их ориентация совпадает с внешней, образуя кольцо. Удивительно, но это кольцо можно заполнить скирмионами, создавая «мешки» — структуры с несколькими скирмионами внутри.

Хотя теория уже предсказывала такие сложные конфигурации, до сих пор их было трудно получить в реальных материалах контролируемым способом.

В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Materials (см. рис. 1), команда продемонстрировала, как нанометровые изменения магнитных свойств материала, внесённые сфокусированными пучками ионов гелия, способствуют формированию таких структур.

Эти локальные изменения анизотропии спроектированы так, что желаемые структуры можно избирательно создавать с помощью одиночных сверхбыстрых лазерных импульсов. Полученные магнитные текстуры с деталями размером менее 100 нм были визуализированы с помощью высокоразрешающего рентгеновского микроскопа, оснащённого специальной лазерной системой, разработанной в Институте Макса Борна.

Рис. 2. Изображения магнитных текстур, полученные с помощью рентгеновской микроскопии, демонстрирующие различные типы «мешков» скирмионов — от пустого скирмиониума до мешка, заполненного четырьмя скирмионами. Масштабная линейка — 500 нм. Автор: Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202501250

Исследователи продемонстрировали создание различных «мешков» скирмионов — от пустого скирмиониума до структур, заполненных четырьмя скирмионами (см. рис. 2). Они показали, что генерация «мешков» с помощью одиночных лазерных импульсов имеет значительно более высокую эффективность по сравнению с чисто магнитным методом.

Повторяемое и стабильное создание таких структур — ключевое условие для изучения динамики сложных скирмионов в будущих экспериментах с временным разрешением. Эта работа открывает практический путь для исследования и использования сложных состояний скирмионов в тонкоплёночных материалах, что является важным шагом к созданию спинтронных устройств с нанометровым контролем топологии.

Дополнительная информация: Лиза-Мари Керн и др., Controlled Formation of Skyrmion Bags, Advanced Materials (2025). DOI: 10.1002/adma.202501250