Физики создали трёхмерные магнитные вихри для квантовых компьютеров

Движение трубок скирмионов под действием тока. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63759-7

В современных электронных устройствах для хранения и обработки информации обычно используется заряд электронов. В спинтронике же фокус смещён на магнитный момент или магнитные вихри, так называемые скирмионы — это позволяет создавать более компактные, быстрые и энергоэффективные компьютеры. Чтобы ещё больше увеличить плотность хранения данных, скирмионы в будущем будут не только двумерными, но и освоят третье измерение.

Исследователям из Института физики Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце впервые удалось создать трёхмерные скирмионы — так называемые гибридные трубки скирмионов — в синтетических антиферромагнетиках и продемонстрировать, что эти структуры движутся иначе, чем их двумерные аналоги.

«Трёхмерные скирмионы представляют интерес для квантовых вычислений и нейроморфных компьютеров — здесь повышенная плотность хранения, достигаемая за счёт третьего измерения, имеет ключевое значение», — поясняет Мона Бхукта из исследовательской группы профессора Матиаса Клёй. Результаты работы были опубликованы 26 сентября в журнале Nature Communications.

Хотя скирмионы являются магнитными вихрями, они ведут себя как частицы. Это означает, среди прочего, что их можно перемещать с помощью электрического тока. Обычно скирмионы создаются в тонких магнитных слоях и, таким образом, являются двумерными; первые трёхмерные трубки скирмионов уже были обнаружены ранее.

Однако эти 3D-скирмионы были равномерно закручены, что называется однородной киральностью. Это означает, что они движутся так же, как и скирмионы в двух измерениях, и не предлагают никаких преимуществ для хранения данных, поскольку их информацию можно так же хорошо представить на одной плоскости.

Экспериментальная установка, измерения намагниченности и элемент-специфичное обнаружение трубок скирмионов. Автор: Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63759-7

«Нам удалось создать трубки скирмионов в синтетических антиферромагнетиках — то есть в тонких плёнках, созданных с помощью стандартных методов осаждения, чья намагниченность компенсируется наружу — и впервые продемонстрировать, что эти трубки скирмионов движутся совершенно иначе, чем скирмионы в двух измерениях», — говорит Бхукта.

Причина этого кроется в структуре новых трубок скирмионов: в отличие от созданных ранее, они не являются равномерно закрученными, а имеют неоднородную структуру. Говоря упрощённо — они движутся иначе, чем в 2D-системах. Эти различия в движении можно использовать для хранения информации, открывая, таким образом, третье измерение для хранения данных.

Новые трубки скирмионов были изготовлены в Университете Майнца, а их трёхмерная структура была подтверждена в Исследовательском центре Юлиха. Для изучения движения трубок скирмионов использовались синхротронные источники на BESSY II (Гельмгольцевский центр Берлина по материаловедению и энергии) и в Швейцарском источнике синхротронного излучения Института Пауля Шеррера в Виллигене, Швейцария.

Полученные результаты важны, среди прочего, для так называемого нейроморфных вычислений: данные должны обрабатываться не с помощью цифровой электроники, а через нейроны, то есть нервные клетки, и синапсы — с целью создания более мощных, энергоэффективных и гибких систем для решения сложных задач.

«Трёхмерные скирмионы позволяют нам лучше имитировать нейроны», — говорит Бхукта. «Шаг в третье измерение также важен и для квантовых вычислений».

Больше информации: Takaaki Dohi et al, Observation of a non-reciprocal skyrmion Hall effect of hybrid chiral skyrmion tubes in synthetic antiferromagnetic multilayers, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-63759-7

Источник: Johannes Gutenberg University Mainz