Учёные впервые зафиксировали процесс плавления двумерных скирмионных решёток в реальном времени

Снимки скирмионной решётки во время плавления: упорядоченная структура слева и полностью разрушенная справа. Автор: Рафаэль Грубер

Что происходит на микроскопическом уровне при плавлении двумерных систем? Исследователи из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) изучили этот феномен в тонких магнитных слоях.

«Используя скирмионы — миниатюрные магнитные вихри — мы впервые смогли непосредственно наблюдать в реальном времени переход упорядоченной двумерной решётки в неупорядоченное состояние на микроскопическом уровне», — пояснил Рафаэль Грубер, проводивший исследование в группе профессора Матиаса Клёйи в Институте физики JGU.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Nanotechnology, имеют фундаментальное значение для понимания процессов плавления в двух измерениях и поведения скирмионов, которые могут революционизировать технологии хранения данных.

Двухэтапное плавление скирмионных решёток

Хотя макроскопический процесс таяния льда в воду знаком многим, микроскопические аспекты плавления остаются слабо изученными.

«Этот фазовый переход особенно интересен в двумерных системах, где возникают уникальные явления, отличающиеся от трёхмерных аналогов», — уточнил Грубер.

Исследователи создали скирмионы — магнитные вихревые структуры, похожие на микроскопические ураганы, — точно регулируя температуру и магнитные поля. Благодаря высокой стабильности скирмионы можно рассматривать как отдельные частицы. При плотной упаковке они самоорганизуются в упорядоченную решётку.

«Нас интересовало: что происходит, когда мы возвращаем систему из упорядоченного состояния в неупорядоченное — по сути, плавим её?» — сказал Грубер.

С помощью магнито-оптического микроскопа Керра учёные впервые наблюдали этот процесс в реальном времени. В отличие от трёхмерных структур (например, льда), двумерная скирмионная решётка плавится в два этапа. Сначала исчезает трансляционная упорядоченность: скирмионы остаются в решётке, но расстояния между ними становятся нерегулярными. Затем нарушается ориентация, что приводит к полному разрушению решётки.

Плавление под действием магнитного поля: новый метод

Уникальность эксперимента — в способе инициирования плавления. Обычно для этого повышают температуру, но в данном случае это изменило бы условия существования магнитных вихрей.

«Вместо этого мы уменьшали размер скирмионов, модулируя магнитное поле. Это повысило их подвижность в решётке, что привело к постепенному нарушению порядка и полному разрушению структуры», — объяснил Грубер.

Эти открытия открывают путь для использования скирмионов в технологиях хранения данных будущего, обеспечивая высокую плотность записи, быстрый доступ и энергоэффективность.

Дополнительная информация: Raphael Gruber et al, Real-time observation of topological defect dynamics mediating two-dimensional skyrmion lattice melting, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-01977-2

Источник: Universitaet Mainz

Интересный факт: Скирмионы, названные в честь британского физика Тони Скирма, впервые были теоретически предсказаны в 1960-х годах, но экспериментально подтверждены лишь в 2009 году. Их уникальные свойства делают их перспективными для создания энергонезависимой памяти нового поколения.