Архимедов винт вдохновил на создание новых магнитных материалов с заданной хиральностью

Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и других институтов представили новый подход к созданию магнитных материалов с заданной хиральностью спинов. Вдохновением послужила форма архимедова винта. Работа опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

СЭМ-изображение искусственного кирального магнита на основе никеля. Автор: Минжань Сюй, Дирк Грундлер, EPFL.

Хиральность спинов — это асимметрия в расположении спинов (собственного момента импульса частиц) в магнитных материалах. Она может приводить к уникальным электронным и магнитным свойствам, востребованным в спинтронике. Однако создание таких материалов в больших масштабах до сих пор было сложной задачей.

«Дирк и я изначально вдохновлялись элегантностью архимедова винта и задались вопросом, можем ли мы создать его магнонный аналог, нечто, что могло бы "накачивать" магноны (коллективные спиновые возбуждения) аналогичным направленным образом», — рассказал Tech Xplore первый автор статьи, доктор Минжань Сюй.

Симуляция спиновой структуры искусственного кирального магнита на основе никелевой нанотрубки. Автор: Аксель Динан, Минжань Сюй, Дирк Грундлер, EPFL.

Хиральность, заданная наноразмерной геометрией

Исследователи с помощью компьютерного моделирования спроектировали крошечную нанотрубку в форме штопора. Затем с использованием лазерной 3D-нанопечати (двухфотонная литография) они создали полимерный шаблон этой трубки и на его основе — никелевую структуру.

«Мы переосмыслили фундаментальные законы физики, лежащие в основе магнитохиральной анизотропии (MChA), и, объединив это со знаниями о неколлинеарных спиновых структурах, вывели соответствующие правила проектирования для магнонов в ферромагнитных наноструктурах», — пояснил старший автор работы Дирк Грундлер.

Созданная структура продемонстрировала магнитохиральную анизотропию: её электрическое сопротивление менялось в зависимости от направления тока без необходимости во внешнем магнитном поле. Это создаёт невзаимный отклик, позволяя току легче течь в одном направлении, что полезно для спинтронных устройств.

«Мы установили метод, который позволяет крупномасштабное производство и простую электрическую интеграцию в электронные схемы», — отметил доктор Сюй.

Перспективы для 3D-спинтроники

Разработанный подход открывает путь к масштабируемому созданию трёхмерных спинтронных устройств с новыми функциями с помощью 3D-печати, вместо поиска специальных кристаллов.

«На практике наша работа открывает масштабируемый путь интеграции трёхмерных спинтронных устройств с новыми функциями за счёт 3D-печати и аддитивного производства желаемой симметрии, а не поиска специальных кристаллов и магнитных материалов», — сказал профессор Грундлер.

В EPFL теперь планируют создавать решётки из искривлённых ферромагнитных элементов для получения перепрограммируемых метаматериалов. Доктор Сюй продолжает работу над созданием материалов с уникальными наноразмерными геометриями, свойства которых выходят за рамки возможностей обычных кристаллов.

Больше информации: Mingran Xu et al, Geometry-induced spin chirality in a non-chiral ferromagnet at zero field, Nature Nanotechnology (2025). DOI: 10.1038/s41565-025-02055-3.