Создан новый магнитный материал со спиральной текстурой для квантовых технологий

Исследователи из Университета штата Флорида создали новый кристаллический материал с необычными магнитными свойствами, которые могут привести к прорывам в хранении данных и квантовых технологиях.

Кристалл, выращенный исследователями, снятый с помощью сканирующего электронного микроскопа. Автор: Иэн Кэмпбелл

В исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, команда показала, что комбинация двух химически схожих соединений с разной структурой кристаллической решётки приводит к образованию материала с третьим типом структуры. В нём возникают сложные спиральные паттерны атомных спинов, известные как скирмионоподобные текстуры.

Иэн Кэмпбелл синтезирует новый интерметаллический магнитный материал с помощью дуговой плавки. Автор: Эми Уолден/FSU Arts and Sciences

Учёные соединили соединения марганца, кобальта и германия с соединением марганца, кобальта и мышьяка. Невозможность атомам «выбрать» одну из двух исходных структур привела к «фрустрации», которая, как предположили исследователи, должна вызвать «скручивание» магнитных моментов атомов.

«Мы подумали, что, возможно, эта структурная фрустрация перейдёт во фрустрацию магнитную», — сказал соавтор работы Майкл Шатрюк.

Эксперимент подтвердил гипотезу: в новом материале были обнаружены искомые циклические спирали спинов. Для определения магнитной структуры использовались данные нейтронной дифракции, полученные на инструменте TOPAZ в Национальной лаборатории Ок-Ридж.

Диаграмма, показывающая паттерн повторяющихся спиралей магнитных полей в новом материале. Автор: Иэн Кэмпбелл

Материалы со скирмионами перспективны для создания жёстких дисков с большей плотностью информации и повышения эффективности электронного транспорта. Поскольку для управления скирмионами требуется мало энергии, их использование в электронике может значительно снизить энергопотребление, что критично для суперкомпьютеров.

Кроме того, такие материалы могут помочь в разработке отказоустойчивых квантовых компьютеров, способных защищать хрупкую квантовую информацию от ошибок.

«Эта возможность позволяет нам перейти от простого поиска необычных спиновых текстур к их целенаправленному проектированию и оптимизации для будущих информационных и квантовых технологий», — отметил Сяопин Ван из Ок-Ридж.

Новый подход, основанный на «химическом мышлении» и предсказательном дизайне материалов, отличается от традиционного поиска среди уже известных соединений. Он позволяет расширять список ингредиентов для создания скирмионных материалов, делая их дешевле и доступнее для будущих технологий.

Больше информации: YiXu Wang et al, Skyrmion-like Spin Textures Emerging in the Material Derived from Structural Frustration, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c12764

Источник: Florida State University